“宽禁带功率半导体器件封装集成技术与可靠性优化研究”专题特约主编寄语

随着“双碳”进程加快和能源转型优化，电力电子装备作为未来实现清洁能源并网、传输和利用等相关环节的核心扮演着愈发重要的作用，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带功率半导体器件相对传统硅基器件具有高频、高压、高效及耐高温等优异特性，因而具有广阔的应用前景。然而，传统硅基电力电子器件的封装集成技术无法满足宽禁带半导体器件的性能与可靠性需求，该问题已成为制约整个产业发展的技术瓶颈。面对宽禁带功率半导体器件从理论走向大规模应用的技术难题，掌握其客观演变规律，研究在不同应用场景下的封装集成技术及可靠性优化的新理论、新方法与新技术，以提升宽禁带功率半导体器件性能与可靠性，已成为国内外专家、学者和工程人员共同关注的焦点。为促进宽禁带功率半导体器件规模化、标准化工程应用的发展，进一步繁荣学术交流、推进技术进步、共享科研成果，《电工技术学报》策划“宽禁带功率半导体器件封装集成技术与可靠性优化研究”专题。本期特刊最终发表了10篇优秀论文，涵盖以下五个研究领域：①宽禁带电力电子器件失效机理研究；②驱动保护创新设计方案；③新型封装结构及互连技术；④多芯片并联建模与优化设计；⑤宽禁带功率半导体器件的应用。

（1）宽禁带电力电子器件失效机理研究：这一部分包含两篇文章，针对宽禁带电力电子器件在过电压、过电流等极端环境下的参数退化特征机理与故障行为，建立相应的评估模型以明晰宽禁带电力电子器件的失效机理。《基于器件物理的高压SiC MOSFET短路故障行为模型》中，针对国产高压SiC MOSFET器件提出了一种考虑器件实际物理特性的器件短路故障行为模型，考虑了国产高压SiC MOSFET的实际器件、工艺等因素的影响，提升了模型在短路故障仿真中的精度；《安全工作区外重复过电压硬开关下SiC MOSFET参数退化特性与机理》中，针对宽禁带器件过电压导致的参数退化问题进行了深入研究，对多工况下器件的动、静态特性变化进行了分析，指出过电压开关应力会造成器件栅氧层退化，其主要机制为高电场应力导致的热载流子注入，而动态电压、电流应力是器件参数加速退化的主要原因，这一研究为宽禁带器件在临界工况中的应用及变换器的裕量设计提供了理论支撑。

（2）驱动保护创新设计方案：这一部分包含三篇文章，从高压大功率电力电子器件的短路失效机理出发，综述了现有的技术，并提出了多种基于驱动的短路保护方法。《高压大功率IGBT短路失效机理及保护技术研究综述》系统地概括了电力电子器件的常见典型短路故障及其在模块化多电平变换器工况下的典型故障类型，介绍了多种短路故障检测和保护技术及其应用特点，讨论了其在不同应用场景下的有效性，并展望了驱动保护技术的发展方向；《基于驱动电压主动切换的Si/SiC混合器件结温波动平滑控制》详细分析了驱动电压对混合器件开关损耗及轨迹的影响，针对高、低电流的不同负载区间采用不同的驱动电压以显著降低混合器件中SiC MOSFET与Si IGBT的结温差值，有效地延长了混合器件的使用寿命；《SiC MOSFET的短路耐受时间分析及其基于di/dt-PMOS的短路保护》通过实验测试的方式，获得不同母线电压、驱动电压、驱动电阻、主回路寄生电感及阈值电压参数下SiC MOSFET短路电流特性曲线，定量地分析了各参数对短路电流的影响，并基于此提出基于di/dt-PMOS的短路保护策略，解决了传统SiC MOSFET短路保护策略中保护动作阈值不一致的问题。

（3）新型封装结构及互连技术：这一部分主要包含两篇文章，针对传统封装结构在宽禁带功率半导体器件应用中的局限性，通过创新封装结构与互连技术，大幅地降低了功率回路的寄生电感，显著地改善了封装的电性能，提升了功率器件的可靠性。《基于双面布局的低寄生电感SiC功率模块》通过在直接覆铜陶瓷基板上对称布置功率器件和功率端子，并利用穿孔实现三维电流流动，显著地减少了空间占用与寄生电感，大幅地改善了动态特性，降低了电压过冲与开关损耗；《多芯片整体式Clip互连碳化硅功率模块反向耦合低感封装方法》将功率模块内部键合铝线替换成Clip互连，并通过规划陶瓷基板布局，利用电流反向耦合效应降低功率模块内部寄生电感，同时利用电容直连结构消除外部回路寄生电感，相对传统封装结构实现了寄生电感的大幅降低。

（4）多芯片并联建模与优化设计：这一部分主要包含两篇文章，针对宽禁带功率半导体器件在多芯片并联过程中的动态不均流、不均温问题进行建模、分析与优化，以消除多芯片并联功率器件中不同芯片的电流、结温差异，以提升功率器件的整体性能与可靠性。《基于源极直连策略的并联SiC MOSFETs动态均流方法》提出了一种在并联SiC MOSFETs芯片之间进行源极直连的动态均流方法，在不增加额外大体积元件，也无需改变直接覆铜陶瓷基板布局的前提下，通过在并联芯片间增加额外源极直连通路的方式改善并联芯片的动态电流分布情况，是一种低成本、简单易行的均流方法；《芯片参数分散性对多芯片并联SiC MOSFET热安全工作区的影响》提出了一种描述变换器应用中多芯片并联SiC MOSFET功率模块在给定最高结温限制下热安全工作区的评估方法，通过芯片级-模块级-系统级联合电热仿真结合输出电流预测模型的方式，确定热安全工作区，并通过蒙特卡洛模拟的方式得到了热安全工作区的演化规律，通过多目标优化分组的方式实现了多芯片并联功率器件的热安全工作区延拓。

（5）宽禁带功率半导体器件的应用：这一部分只有一篇文章，以新能源发电和交通电气化为应用场景，分析电力电子装备的功率密度极限的表征方法，归纳总结了提升逆变器功率密度的技术途径。《逆变器功率密度的极限分析与提升方法》针对逆变器的功率密度提升问题，计及死区时间、功率损耗和热稳定等影响因素，研究功率器件的开关频率极限，针对无源元件与有源元件分别展开定量研究，阐明了其之间的配合规律，并围绕热阻、最高工作结温、环境温度、效率、器件布局、损耗测量等关键因素进行了定量研究，为下一代小型化、轻量化逆变器的设计、研发和应用提供理论模型和方法指导。

衷心感谢各位专家、学者将最新研究成果投稿本专题，感谢各位客座主编的辛勤付出与鼎力支持，感谢所有审稿人，正是他们自愿投入宝贵时间审阅稿件并提出建设性意见，才使得本专题栏目取得圆满成功，最后，感谢《电工技术学报》编辑部的专辑策划和细致工作，相信此次专题征稿活动将进一步推动“宽禁带功率半导体器件封装集成技术与可靠性优化”的研究和应用。