IGBT开关机理对逆变器死区时间的影响

为了研究逆变器中功率器件对死区时间设置的影响,依据半导体物理理论与死区时间的计算依据,研究了电压、电流、温度对绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)开关时间的影响机理,给出了这3个因素对IGBT开关时间的影响规律,并得到了这3个因素对死区时间的影响机理。通过对两电平半桥逆变单元测试表明:死区时间随电压的增大近似呈线性关系增大,随电流的增大近似呈指数和双曲线复合关系而减小,随温度的增大近似呈线性关系增大,且按照计算依据得到的死区时间与实测桥路直通的发生相符,验证了理论分析的正确性。得出的结论可为实际应用中逆变器等电能变化装置死区时间的设置以及死区补偿算法的优化提供重要的参考依据。

基于电压对电流变化率的IGBT结温变化机理及监测方法

为了有效监测IGBT的工作结温,通过机理分析提出了一种基于电压对电流变化率的结温在线监测方法。首先基于半导体物理论述了IGBT饱和压降UCE与电流ICE的关系,得到了UCE、ICE与结温的对应关系,然后分析了结温对d UCE/d ICE的影响机理,进一步得到d UCE/d ICE随结温的变化规律,且所得规律不受电压、电流绝对值以及负载的影响。实验结果表明:在IGBT饱和工作区内随着结温的升高,d UCE/d ICE呈正比例增大,d UCE/d ICE与结温之间表现出良好的线性唯一对应关系,UCE在电流不变的条件下与结温也呈线性关系,并进一步得到了完整的UCE、ICE与结温的3维关系曲线,验证了机理分析。因此可通过监测d UCE/d ICE的值来有效表征IGBT的实时结温,该方法不受负载影响,更易实现。

焊接型电力电子器件失效机理及量化评估方法

电力电子器件作为现代大功率电能变换装置的核心部件,随着功率等级提升,对其可靠性要求也越来越高,尤其是针对装置的功率体积密度有较高要求的应用场合,仍然缺乏有效的失效量化评估方法,传统的粗犷式设计已经无法满足要求。因此,为了提高装置的功率体积密度和可靠性,需要对器件的工作机理和可靠性边界进行准确表征。针对焊接型电力电子器件,首先从器件的失效机理入手,总结归纳了目前焊接型电力电子器件失效研究现状;然后从器件失效的内部和外部因素两方面分析了电力电子器件的失效机理;最后,从过压失效、过流失效以及疲劳失效三方面,提出了器件的失效量化评估方法,尤其是基于器件物理模型的评估方法,并以二极管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)为例进行了验证。为实现电力电子器件的尽限应用提供了支撑。

焊料层空洞对IGBT器件热稳定性的影响

为了查明封装疲劳对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）热特性的影响,从封装结构的角度分析了焊料层空洞对IGBT器件热稳定性的影响规律。首先建立了IGBT芯片封装的有限元模型,然后结合传热学分析了焊料层空洞大小、位置以及分布对IGBT芯片最高结温的影响规律并进行了仿真,最后基于加速寿命实验进行了验证。结果表明：空洞率相同时,芯片对角线上的空洞对芯片最高结温的影响最大;位置相同时,芯片顶点位置空洞大小的变化对芯片最高结温的影响最大;2种情况下,单个空洞的影响均大于相同空洞率下的空洞分布影响,而空洞分布中的中心集中分布对芯片最高结温的影响最大;芯片最高结温随空洞率增大而近似呈线性关系增大,芯片结壳热阻与空洞率也近似呈线性关系增大,验证了理论分析的正确性。研究结论可从封装疲劳的角度对IGBT尽限应用提供指导。

IGBT极限功耗与热失效机理分析

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的最大功耗是安全工作区的重要组成部分,与外部散热装置、内部热阻以及使用工况等有关,而器件手册给出的最大功耗是理想值,难以反映实际工况,若设计不当会造成IGBT热击穿失效。基于对IGBT功耗以及结-壳稳态热阻的温度特性分析,通过联立IGBT功耗的温度曲线和结-壳传热功耗的温度曲线进行热平衡分析,得到了结温的热稳定点、非稳定点以及临界点,由此得到了在临界点处的IGBT极限功耗,对在非稳定点时IGBT结温和功耗间的正反馈关系分析了IGBT热失效机理,最后进行了实验验证。

基于场路耦合的大功率IGBT多速率电热联合仿真方法

IGBT模块在以短路为代表的非周期过载极端工况中,其自热效应明显。由于高压、大电流等外载荷的冲击,IGBT的温度会在短时内迅速升高,进而影响IGBT芯片的半导体特性以及封装结构的材料特性,并最终直观表现为模块端口电气特性的变化。此时,需要同时关注IGBT的电气特性与温度分布特性,而电问题与热问题在时间尺度上的差异为电热耦合仿真带来了不便。基于此,该文提出一种基于场路耦合的电热联合仿真方法。首先阐述IGBT场路耦合联合仿真的基本原理;然后分别在Simulink与COMSOL中构建基于IGBT物理模型的电路模型以及基于有限元的热模型,通过Matlab控制脚本实现了多速率仿真策略下的电热联合仿真;最后以ABB3.3kV/1500A大功率IGBT模块为例,通过开关暂态测试和短路测试对所提出的仿真方法进行了验证。

基于传热动力学作用特征的IGBT结温预测数学模型

提出一种基于传热动力学作用特征建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温预测模型的建模方法。针对目前IGBT结温预测模型无法灵活应用于多时间尺度仿真与快速计算模式的问题,通过将简单(阶跃)信号下得到的动力学作用分量应用于复杂(PWM)信号下,建立IGBT结温预测数学模型。基于经典Cauer传热RC网络结构,建立针对阶跃功率输入信号的IGBT结温预测数学模型。提出采用自然解耦的方法,对IGBT传热动力学特性进行研究,建立传热动力学作用分量的准确表征。在此基础上,采用自然解耦与精确补偿的方法,建立针对PWM脉冲功率输入信号的IGBT瞬态结温预测数学模型。仿真与实验结果验证了模型的正确性与准确性。所建IGBT结温预测数学模型对于查明IGBT器件的传热动力学作用机理,实现结温的快速有效仿真与计算,建立IGBT传热多时间尺度数学模型具有重要的理论意义和应用价值。

适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型

提出一种基于器件到系统的等级与传热网络结构本身的多时间尺度特征建立绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)传热模型的建模方法。基于热传导理论和经典Cauer传热RC网络结构,建立IGBT传热网络结构模型,查明单层与多层热网络结构的结温运行规律以及简化标准与方法。在此基础上,以器件到系统对IGBT传热模型的不同需求为主线,以器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度为切入点,建立适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型。仿真与实验结果验证了模型的正确性与高效性。所建立的IGBT传热模型对于查明IGBT器件的传热网络结构特征与结温运行规律,实现电力电子器件到系统的独立与联合仿真具有一定的理论意义和应用价值。

一种符合欧姆定律的IGBT等效电阻模型

有限元仿真普遍通过求解电流守恒方程来实现对电流场的计算,计算方法上符合欧姆定律,即电流与电压呈正比关系。IGBT的电气特性本质上区别于纯导体,芯片的电导率也不等同于芯片材料的电导率,因此无法直接应用于有限元仿真。针对这一问题,该文首先通过最小二乘法对IGBT的V-I特性曲线进行了分段线性化处理,并通过函数转换构建了一种在计算方法上符合欧姆定律的IGBT等效电阻模型。然后进一步将IGBT芯片的等效电阻转换为等效电导率,构建了基于有限元的IGBT电热耦合模型。最后通过短时变电流的单脉冲测试对所建立的模型进行了验证。实验结果表明:所提出的建模方法可以在满足欧姆定律基本算法的基础上,对电流连续变化工况下的IGBT电热特性进行准确表征。

不同负载条件下绝缘栅双极型晶体管死区时间设置分析

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的死区时间设置通常是采用Infenion技术文档中的计算式来计算。但该计算式并没有考虑不同负载时的情形,可能会导致设置不合理。为此,首先分析了IGBT死区时间设置对穿通发生区域的影响,然后在不同负载条件下采用实验的方法测试得到了IGBT死区时间设置,并与计算式得到的理论值进行了比较。结果表明:阻性负载时必须考虑关断时的下降时间;而感性负载时只需取关断延时;空载时的测试结果不能作为设计参考。由此,对不同负载条件下IGBT死区时间设置的计算式进行了修正,并分析了计算式产生差别的原因。

基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法研究

提出一种采用IGBT集电极漏电流对其芯片性能退化进程进行监控的健康状态监测方法。基于IGBT基本结构、半导体物理和器件可靠性物理学,对IGBT电气特征量——集电极漏电流的产生机理、运行规律与性能退化机理进行详细分析,查明了其随性能退化应力水平和施加时间的变化规律。在此基础上,通过将理论分析与解析描述相结合,建立针对IGBT芯片性能退化的集电极漏电流健康状态监测方法。仿真和实验结果验证了该方法的正确性与准确性。该方法对于实现IGBT芯片性能退化进程监控具有一定的理论意义和应用价值。

大功率IGBT器件及其组合多时间尺度动力学表征研究综述

在提出电力电子器件及其组合多时间尺度动力学表征需求的前提下,以目前常用的全控型电力电子器件——绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)为例,系统分析并归纳了目前在IGBT及其组合多时间尺度动力学表征研究方面的进展和成果,包括作为基础的大功率IGBT及其组合多时间尺度电热瞬态建模方法、基于模型的大功率IGBT模块失效量化表征方法以及用于辅助分析的IGBT组合多速率仿真方法。此外,介绍了基于IGBT多时间尺度模型的装置应用设计案例。从建模方法、可靠性评估、仿真手段以及应用设计四个方面系统全面地阐述了大功率IGBT及其组合多时间尺度的动力学表征方法,可为电力电子混杂系统的精确设计提供电力电子器件层面的理论和技术支撑。

一种IGBT传热模型参数等效计算方法

以电力电子装置应用领域对IGBT模块传热特性及其散热设计的需求为牵引,基于Foster与Cauer热网络的结构属性与相互转换方法,建立了一种IGBT传热模型参数等效计算方法并进行了实验验证,对其传热特性进行了研究,得出封装各层温度运行规律及其各层之间的相互作用关系;建立了一种IGBT散热器传热模型参数设计方法并查明了最高结温、波动范围随散热器热容的变化规律.

沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型

沟槽栅场终止型代表了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的最新结构。由于沟槽栅结构与平面栅结构在基区载流子输运、栅极结电容计算等方面存在较大的不同,沿用平面栅结构的建模方法不可避免会存在较大的偏差。基于对沟槽栅场终止型IGBT结构特点及模型坐标系的分析,考虑载流子二维效应将基区分成PNP和PIN两部分,根据PIN部分的沟槽栅能否被PNP部分的耗尽层覆盖分析了栅极结电容计算方法,提出一种沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型,并进行仿真与实验验证。

MPS结构SiC二极管场路耦合建模及多速率电热联合仿真分析

该文建立一种适用于Pi N-肖特基混合型(merged PiN schottky,MPS)结构SiC二极管的场路耦合模型。模型同时考虑该类二极管芯片在浪涌大电流极端工况下的电气特性以及芯片温度耦合作用的影响。首先,基于MPS结构的芯片特点,应用集总电荷建模方法建立能够表征其电气特性的物理模型,同时基于有限元仿真平台建立与实际SiC模块封装结构和尺寸一致的热模型。其次,应用PSpice-COMSOL仿真平台,建立基于MPSSiC二极管电气模型和热模型的场路耦合模型,并通过多速率仿真策略解决电路仿真与热仿真时间尺度悬殊的问题,实现二极管电气与温度特性的表征及仿真分析。最后,基于Cree 1200V/300A模块中二极管在浪涌条件下的工作特性对该文建立的模型进行仿真和实验结果的验证。结果表明,提出的场路耦合模型具有仿真精度和仿真效率高的优点,为MPS结构SiC二极管在极端工况下的特性研究提供一种分析方法。

功率回路杂散电感对IGBT并联均流的影响

母排设计时,为了减小绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的关断瞬态电压尖峰,通常会将功率回路杂散电感设计的尽可能小,但回路杂散电感的大小也会对IGBT的并联动态均流产生影响。针对此问题,首先建立了功率回路杂散电感影响不均流度的数学模型,找到不均流的影响因素;然后,以IGBT物理模型结合Simulink仿真平台分析了回路杂散电感对并联均流的影响趋势;最终,通过双脉冲测试进行了验证,结果表明在该测试平台中,回路杂散电感减小2倍,最大会增加约10%的不均流度。

光纤数据量化器中一种峰峰值检测电路的设计

文章介绍了一种用于光纤数据量化器中的峰峰值检测电路的设计,针对光纤数据量化器性能的提高,采用了一种类似于模拟乘法器的双差分结构,并详细分析了这种双差分结构峰峰值检测电路的设计原理,给出了不同情况下的Cadence仿真波形。目前,该峰峰值检测电路已经应用于一种传输速率为80MBd的光纤数据量化器中。

焊料层空洞对IGBT芯片温度分布影响分析

基于IGBT七层结构,建立三维有限元模型,模拟研究焊料层空洞对芯片温度场的影响,讨论空洞对芯片结温作用机理。研究表明:焊料层空洞改变芯片散热途径,影响芯片温度分布;单个空洞越大,芯片结温越高,在中心和外边缘位置结温升高更加显著;对于多个空洞,分布越密集,结温越高。

键丝结构参数对IGBT热特性的影响规律

针对焊接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的键丝失效问题,首先分析了IGBT模块的电热耦合机理,并构建了基于有限元的某型IGBT模块电热耦合模型,通过实验验证了该模型的准确性;然后,从理论和仿真层面定量研究了键丝结构参数对IGBT热特性的影响规律。研究结果表明:当键丝的截面尺寸小于临界值时,键丝与芯片的温度将产生明显分化,键丝温度会急剧升高进而导致熔断;键丝焊盘面积的减小也会导致芯片温度的升高,对焊点处温度变化的影响尤为明显。

一种温度系数片外可调节的电压源电路的设计

介绍了一种用于光纤LED驱动器中温度系数可调节的电压源电路的设计。分析了其设计思路、原理,并详细的分析了其各部分电路的设计过程,最后给出了不同情况下的Cadence仿真波形以及最终的LED驱动器的版图。