压接IGBT小管壳与外框高温热老化绝缘特性

近年来IGBT模块朝着更高电压等级与更大功率密度的方向发展,有限空间内的高电压与大电流将使得器件在高温下的绝缘失效概率急剧增加,模块中承受长时间高温的封装材料面临着绝缘退化乃至失效的风险。因此,亟需针对IGBT模块中封装材料开展高温与热老化绝缘特性研究。文中面向压接IGBT中的小管壳玻璃纤维增强型聚对苯二甲酰癸二胺和外框玻璃纤维增强不饱和聚酯封装材料,通过微观形貌、组分、介电及沿面闪络描述了两种材料的高温与热老化特性。结果表明,两种材料在热氧老化后出现不可逆的黄变现象,组分显示这与有色官能团的增加有关。此外,两种材料介电与电导性能在高温与热老化后都有所退化,尽管如此,外框仍旧满足IEC标准中关于介质损耗因数的要求(≤0.03)。小管壳和外框在150℃高温下耐压分别下降27%与29%,能带结构的计算结果验证了沿面闪络的退化行为。

一种具备长期失效短路能力的弹性压接型IGBT器件

压接型IGBT器件的失效短路模式(SCFM)可使其在失效之后仍能保持短路特性,在大规模器件串联应用中具有非常独特的优势,能够显著提高基于电压源换流器的高压直流(VSC-HVDC)(柔性直流)输电领域电力电子设备的可靠性。弹性压接器件由于封装结构限制,很难实现长期稳定运行。提出了一种新型弹性压接封装结构,采用失效短路电流再分配的方案,通过理论分析、仿真对比、试验测试等手段对该方案进行失效短路能力评估,相较传统结构导电片在1900 A、1 min熔断,优化后的导电片在2250 A、2 h下能够稳定保持最高温度≤200℃,为压接器件的开发提供了新的研究方向。

环氧树脂高温热老化反应对器件功率循环寿命的影响机理

分立器件主要使用环氧树脂封装材料以保护芯片免受机械损伤和环境腐蚀,但环氧树脂材料的热稳定性较差,在高温环境下易发生化学反应,影响器件的性能。因此,一般要求器件的工作温度不能超过环氧树脂的玻璃化转变温度。以SiCMOSFET分立器件为研究对象,通过功率循环试验深入探究高温存储对器件功率循环寿命的影响。结果表明,经高温存储后器件的寿命得到显著提升。此外,通过对高温存储前后环氧树脂材料进行热机械分析,发现环氧树脂材料的热稳定性经高温存储后得到增强。最后,通过建立有限元仿真模型,深入分析高温存储对器件芯片表面应变及键合线应变的影响,发现高温存储后器件芯片表面应变及键合线应变变小,解释了高温存储对器件寿命提升的影响机理。

FC-72介质液态、气态及两相态工频击穿特性研究

相变冷却技术逐渐成为高压功率电力电子器件散热瓶颈的解决方案。但在高压应用场景中,由气泡引发的绝缘问题需要重点关注。针对相变冷却的沸腾特征,掌握制冷剂液态、气态以及两相态的绝缘特性是开展相变冷却技术绝缘分析的基础,而现有研究尚没有系统性的制冷剂多相态绝缘特性测试方法。因此,文中研制了用于制冷剂多种相态工况的绝缘实验装置,首次实现了低沸点液体蒸汽的介电强度测试,进而提出了制冷剂蒸汽及两相态环境的击穿实验方案。利用FC-72制冷剂,对其液态、气态及两相态展开了系统性的击穿特性研究,获得了FC-72蒸汽在多种气压下的介电强度,以及其两相态下的击穿测试结果。结合气泡在电场下的行为特性,分析了两相态环境下的击穿机制。最终,形成了以蒸汽介电强度为依据的两相态间隙绝缘阈值评估方法。

基于开通波形的IGBT开关特性测试平台寄生电感提取方法

IGBT动态测试平台的寄生电感影响IGBT器件的开关参数以及开关损耗,因此,提取动态测试平台回路的寄生电感对于准确获得IGBT器件的开关参数具有重要意义。传统的寄生电感提取方法忽略了回路寄生电阻的影响,给寄生电感的提取带来误差。为了提高寄生电感提取的准确性,提出了采用IGBT开通波形来计算动态特性测试平台寄生电感的方法,通过对开通电流上升过程的分析,建立了包含回路寄生电阻的等效电路模型及电路方程。仿真结果表明该方法的计算误差低于传统计算方法。为验证该方法的正确性,搭建了IGBT动态特性测试平台,实验结果表明,该方法实现了寄生电感参数的提取,为提供准确的IGBT器件开关参数奠定了基础。

高压IGBT封装硅凝胶材料高温和热老化绝缘特性研究

在高压IGBT器件中,新兴的宽禁带半导体芯片逐渐代替了传统的硅基半导体芯片,其高功率密度特性会导致电力电子模块的工作温度急剧上升。硅凝胶作为高压IGBT器件的封装用绝缘材料,其绝缘性能面临高温和热老化的挑战。为了研究高温和热老化对硅凝胶材料热稳定性和绝缘性能的影响,本文基于硅凝胶材料的高温试验与热老化试验,测试了高温和长期热应力作用对硅凝胶材料介电性能、体积电导率和击穿强度的影响,对硅凝胶的高温特性和热老化特性进行分析。结果表明:随着温度的升高,硅凝胶的复介电常数实部降低、介质损耗增加、直流电导率升高、击穿强度降低;随着热老化时间的增加,硅凝胶的复介电常数实部增加、介质损耗先减小后增大、直流电导率先增大后减小、击穿强度降低。