宽禁带电力电子器件极低温强磁场下物理特性和失效机理研究

The superconducting magnets in the superconducting equipments such as superconducting magnetic energy storage system, superconducting magnetic resonance imagining equipment and high energy particle accelerator need power electronic device to provide quench protection. Integrating quench protection device in the Dewar of superconducting equipments can reduce heat losses and make the system more compact. Previous studies also showed that the performance of the some power electronic device is greatly improved under cryogenic temperature. Power electronic conversion system was therefore proposed to be integrated in the cryogenic temperature to improve power density and efficiency. Except for the cryogenic temperature, high magnetic field also exists in the superconducting equipments. It is therefore important to study the characteristics of power electronic device under both cryogenic and high magnetic field condition. The high bandgap power electronic device (HBPED) is an important developing trend of power electronic device. This project takes the HBPED as a detail studying object. By physical modeling, simulation analysis and experimental test, this project will analyze the physical characteristics of HBPED and study its physical mechanism under both cryogenic and high magnetic field condition. This project will also establish electric-thermal-magnetic-force multi-physical model of the HBPED and study the failure mechanism of it. Based on the above research results, optimal design of HBPED based power conversion system under cryogenic temperature and high magnetic field will be studied to improve the system efficiency and reliability. This research will provide theoretical foundations and practical solutions for application of HBPED under both cryogenic and high magnetic field condition.

超导储能系统、超导核磁成像仪、高能加速器等超导装置中的超导磁体需要电力电子器件提供失超保护，将失超保护系统集成于超导装置的低温杜瓦中，可以有效地降低漏热，并使系统更加紧凑。已有研究也表明将某些电力电子器件置于极低温环境下性能会显著提高，人们也因此尝试将电力电子变换器置于低温环境下以提高其功率密度和效率。超导装置内部除了极低温外还伴生强磁场环境，因此开展极低温和强磁场下电力电子器件特性的研究具有重要的意义。宽禁带电力电子器件是未来重要的发展方向，因此本课题将通过物理建模、仿真分析和实验测试相结合的手段，对宽禁带器件在极低温强磁场下的物理特性进行分析，研究其物理机制；建立极低温强磁场下宽禁带器件的电—热—磁—力多物理场耦合模型，研究其失效机理。最后研究宽禁带变换器在极低温强磁场下的优化设计，以提高系统的整体效率和可靠性。该项研究将为宽禁带器件在极低温强磁场下应用提供系统化的理论基础和解决方案。

功率半导体器件用于电力设备的电能变换和控制电路方面，应用场景广泛，应用环境复杂。例如，超导装置中超导磁体需要电子器件提供失超保护，而超导装置内部存在低温强磁场环境；航天器的供电电源等也需要电子器件，但航天器的工作环境复杂，面临着低温、辐照等多重环境影响因素。因此开展极低温和强磁场下电力电子器件特性的研究具有重要的意义。. 本项目研究了宽禁带半导体材料（SiC、GaN）关键物理参数的温度特性，总结了功率器件动/静态特性的测试方法，据此设计了极低温强磁场环境下宽禁带电力电子功率变换器的主电路、驱动电路以及母排，在此基础上搭建了功率器件动态和静态特性低温测试平台。利用该平台评估了三款SiC MOSFET和一款GaN HEMT的低温（77.7 K至300 K）特性，得到了主要动静态参数的温度变化曲线。分析了上述器件的低温特性变化物理机理，找到了影响其低温特性的关键物理量，并对比了Si MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT的低温特性，指出了其低温性能差异的原因。最后在动态和静态特性低温测试平台的基础上搭建了电力电子器件的0~1.0364T磁场测试平台，并对MOSFET和肖特基二极管在在77K/300K、0~1.0364T环境下的电学特性进行了测试。. 研究发现，低温下SiC MOSFET的导通电阻、漏源极击穿电压、开关损耗等参数明显劣化，且温度越低劣化越严重；GaN HEMT在低温下依然能保持优良的动态特性，且导通电阻、击穿电压、零栅压漏电流、栅极泄露电流等参数都有不同程度的优化。SiC MOSFET较差的SiC/SiO2界面品质和较高的界面态密度是其低温性能劣化的主要原因。GaN HEMT在低温下的性能改善得益于其独特的沟道结构（二维电子气），异质结将沟道和杂质离子隔开，使沟道受后者的影响很小。GaN HEMT是低温电力应用的最佳选择之一。MOSFET和肖特基二极管在在77K/300K、0~1.0364T环境下的电学特性变化幅度相对不大，可以视作是在测量误差范围内。. 该项研究将为宽禁带器件在极低温强磁场下应用提供系统化的理论基础和解决方案。