高压大功率IGBT器件可靠性研究综述

随着高压直流输电和电力机车等领域的不断发展,高压大功率IGBT器件作为其中重要的电力电子器件,其可靠性问题得到了国内外研究机构的广泛关注。为给高压大功率领域可靠性设计者以及终端用户提供更多高压大功率IGBT器件的可靠性信息,文中阐述了高压大功率IGBT器件可靠性的发展与研究现状。根据高压大功率IGBT器件可靠性研究目的的不同,将可靠性研究分为故障诊断、寿命预测和状态监测三个方面。文中对故障诊断和状态监测的研究方法进行了分析,对于寿命预测模型进行了分类总结以及优缺点对比分析。最后,基于目前高压大功率IGBT器件可靠性的研究方法和内容,提出了可靠性研究未来的挑战和发展趋势。

高压大功率IGBT器件温度系数校准方法研究

结温的准确测量对于功率IGBT器件状态监测和可靠性评估具有重要意义,小电流下饱和压降法作为使用最广泛的结温测量方法被各类测试标准推荐使用,温度系数校准是使用该方法的第一步,也是结温测量的基础。传统的温度系数校准方法对于高压大功率IGBT器件存在适用性和准确性的问题。首先,深入讨论和对比了目前常用的2种温度系数校准系统的精度,并提出了一种基于电磁加热方式的温度系数校准系统,并对其精度进行了验证;其次,对温度系数校准曲线的非线性进行了讨论和分析,指出了全温度范围校准和多项式拟合的必要性,进一步补充了温度系数校准方法,为高压大功率IGBT器件的温度系数校准提供方法指导。

高压大功率开关器件电磁特性的解析模型

准确获得高压大功率开关器件的电磁特性对器件所在系统的电磁干扰预测十分重要。聚焦用于高压大功率开关器件电磁特性分析的开关波形等效方法,针对当前等效波形过于理想而无法体现器件开关瞬态中复杂频谱分量的问题,提出考虑器件开关过程电磁特性的解析模型。从解析模型的时域解析式出发,基于傅里叶变换理论,推导了解析模型的频域解析式,分析频谱包络特征参数,得到了解析模型的频谱特征。利用Si IGBT和SiC MOSFET器件实测的开关波形,验证了理论分析的正确性。

高压大功率SiC MOSFETs短路保护方法

碳化硅(SiC)MOSFETs短路承受能力弱,研究其短路保护方法成为保障电力电子设备安全运行的重要课题。现有方法大多围绕低压小功率SiC MOSFETs,然而随着电压和功率等级的提升,器件特性有所差异,直接套用以往设计难以实现高压大功率SiC MOSFETs的快速、可靠保护。该文首先详细研究了几种常用短路检测方法;其次基于高压大功率SiC MOSFETs器件特性,深入对比分析了不同短路检测方法的适用性,提出一种阻容式漏源极电压检测和栅极电荷检测相结合的短路保护方法;最后搭建了实验平台验证所提方法的可行性。结果表明,提出的方法在硬开关短路故障(hard switching fault,HSF)下,保护响应时间缩短了1.4μs,短路能量降低了62.5%;且能可靠识别负载短路故障(fault under load,FUL)。

高压大功率器件结温在线测量方法综述

结温是高压大功率电力电子器件健康管理、寿命预测和可靠性评估的基础,通过对结温的在线测量,可以做到实时过热保护和状态监测,在提高可靠性的基础上还可以尽可能地挖掘其应用潜能。介绍不同结温在线测量方法,着重关注其在线应用实现方法,并从影响参量、老化影响、一致性、线性度、灵敏度、响应速度、实现难度和结温意义8个指标详细总结和对比了这些测量方法,建立了一套综合评价体系。特别介绍了结温意义的指标,不同的结温测量方法所代表的结温意义不同,导致其测量结果不同,在应用时要严格遵守结温意义,结温测量技术需要与结温应用需求相结合。

国产高压大功率IGBT应用于机车变流器工作特性测试研究

高压大容量IGBT器件广泛应用于现代电力机车变流器系统中,其工作特性决定了电力机车的运行性能。用于牵引变流器的IGBT模块在功率密度、反并联二极管容量、封装技术和工作环境上要求更加严格。依据实际应用环境,测试并掌握IGBT器件的特性参数,选用合适的驱动保护电路,可以确保IGBT稳定可靠运行,充分发挥变流系统的控制特性。本文重点研究DM型国产大功率IGBT的工作特性,选取两种国外同规格IGBT进行对比测试分析。将国产DM型IGBT应用到HXD2F机车变流器进行了特性测试,测试结果为此款IGBT以后应用于牵引变流器的开发设计选型提供参考。

高压大功率器件用6 kV/180℃高温反偏测试装置研制

高温反偏测试(high temperature reverse bias,HTRB)作为功率器件可靠性测试的重要环节,其测试装置的精度和功能决定了对被测器件老化程度判定的准确性。针对高压大功率器件对测试装置空间、精度以及可靠性的需求,自主研制出了电压等级6 kV、环境温度180℃的高温反偏测试装置。此外,该测试装置还集成了温度-漏电流关系曲线自动测量及失效期数据高频采集等功能,更为准确灵活地监测被测器件的状态,进行可靠性评估与失效分析。为验证该测试装置的各项功能及可靠性,使用该装置对商业IGBT器件进行了测试,初步测试结果表明:温度与漏电流呈指数关系,集射极漏电流随着老化的进行逐渐增大。该装置符合高压大功率半导体器件对高温反偏测试的需求且适用于不同封装的IGBT器件。

大功率高压电力电子器件多路驱动器

针对高压控制系统中大功率电力电子器件不同驱动电路存在的问题,提出了一种全新的大功率高压电力电子器件多路驱动器设计方案,包括工作原理、硬件结构和控制方案。利用单端反激电路产生脉冲大电流,多个高频电流互感器传递脉冲电流,实现隔离高压和高压驱动电路之间的隔离,成功地解决了低成本隔离问题及驱动电路可靠性问题。试验结果表明,该方案能安全可靠地控制串并联大功率电力电子器件的导通和关断。

高压大功率器件小电流控制技术研究

随着高压大功率双极功率集成电路在各种电源管理、功率驱动等领域中的应用日益广泛,产品的可靠性设计和控制显得尤其重要。介绍了高压大功率器件小电流的控制研究,说明了小电流形成的原理,及其对产品可靠性的影响;对各类曲线进行了详细分析,阐明了小电流的测试和控制技术,以及小电流对高压大功率双极型集成电路可靠性的重要性。

高压大功率器件用高温栅偏测试装置研制

为准确评估硅IGBT和碳化硅MOSFET等高压大功率器件不同电应力及热应力条件下的栅极可靠性,研制了实时测量皮安级栅极漏电流的高温栅偏(high temperature gate bias,HTGB)测试装置。此外,该测试装置具备阈值电压在线监测功能,可以更好地监测被测器件的状态以进行可靠性评估和失效分析。为初步验证测试装置的各项功能和可靠性,运用该测试装置对商用IGBT器件在相同温度应力不同电应力条件下进行分组测试。初步测试结果表明老化初期漏电流逐渐降低,最终漏电流大小与电压应力有良好的正相关性,栅偏电压越大,漏电流越大。该测试装置实现了碳化硅MOSFET器件和硅IGBT器件对高温栅偏的测试需求且适用于各种类型的封装。

功率循环试验中开通时间对高压大功率IGBT模块失效模式的影响及机理分析

通过在功率循环试验条件下建立的IGBT器件寿命模型,外推器件在实际工况下的寿命,一个重要的前提是不同条件下的失效模式和机理相同。虽然开通时间已被证实对寿命存在影响,但对失效模式和机理的影响尚且未知。对3300V/1500A高压大功率IGBT模块在相同的电热条件下,取不同开通时间(1s和2s)进行功率循环试验,并实现对结温、通态压降和准稳态结到壳的热阻等关键参数在每个周期的实时在线测量,结果表明开通时间对模块失效模式影响显著。开通时间为1s时,仅键合线老化失效,而开通时间为2s时,键合线和焊料层同时发生老化并失效,试验前后超声波扫描(scanning acoustic microscope,SAM)图像的对比验证了实验结果。建立IGBT模块的电–力–热多物理场有限元模型,揭示了开通时间对失效模式的影响机制以及模块具体的失效机理。研究成果可以为高压大功率IGBT模块的寿命预测和老化监测提供指导。

国产化6500V/200A高压大功率IGBT的研制

研制的IGBT器件采用完全国产化芯片,通过ANSYS仿真软件对电磁场、热、应力分布等特性进行仿真,实现IGBT器件结构设计最优化;研制的高压大功率IGBT通过了器件、功率模块、辅助变流柜和机车级的试验验证。试验结果满足设计要求,并已形成了芯片—IGBT器件—功率模块—变流器完整产业链,成功批量应用在国内轨道交通领域,具有重大的社会意义和市场前景。

一种适用于高压大功率的新型混合二极管钳位级联多电平变换器

该文在研究传统的级联多电平、传统混合级联多电平以及二级管钳位级联多电平变换器的基础上提出了一种新型的混合二极管钳位级联多电平变换器,这种新型变换器是将具有不同直流母线电压的多个二极管钳位多电平变换器进行级联,输出电压是将这些变换器的输出电压进行矢量相加而合成的。通常,开关速度较快的器件(如IGBT)的耐压值和耐压值较高的器件(如GTO)的开关速度都是有局限性的,新型变换器包含高压模块和低压模块,这使得IGBT和GTO协同工作在一起成为可能。本文对三相拓扑结构进行仿真分析,从仿真结果可以看出,新型变换器可以输出更高的电压,并且输出电压和电流的波形质量也将有进一步改善。

大功率IGBT模块及驱动电路综述

绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为电力电子设备中的核心器件,其应用场合越来越广泛,例如机车牵引,高压直流输电。这不仅对IGBT模块的性能提出了更严苛的挑战,同时也对IGBT的驱动保护电路提出了更高的要求。首先介绍了高压IGBT模块最新技术成果和发展趋势。其次,根据控制方式,对现阶段IGBT驱动电路以及串并联技术进行了总结分类。详细分析了各类驱动电路的工作原理和优缺点,给出了相应驱动电路的典型开关波形图。最后,对IGBT驱动电路未来的发展方向进行了展望。

高压大功率IGBT中标国家智能电网项目 打破欧美等国技术垄断

作为国家科技重大专项——智能电网高压芯片封装与模块技术研发及产业化项目的中国北车永济电机公司以其研制的3300V IGBT器件产品,日前中标国家智能电网项目,成为我国首个高压大功率IGBT产品批量进入国家电网系统的企业,打破欧美等国家对我国在这一市场领域的技术垄断。

一种高压大功率IGBT综合参数测试设备的研究与实现

介绍了自主研发的一种用于绝缘栅双极型晶体管（IGBlr）的动、静态综合参数测试设备。该设备采用计算机和PLC控制，实现了IGBT动、静态综合参数测试流程的全自动化。设备可满足6500W2000AIGBT动、静态综合参数的测试需求，与进口的国外同类设备水平相当。

高压大功率IGBT模块动态分析

随着科学技术的发展,IGBT模块的高压大功率器件的应用越来越广泛,比如说,交通运输、交流电机、航空航天等。IGBT有其特殊的特性,合理的IGBT技术能够同时完成IGBT的各项器件参数的准确测试和电路参数在实际的应用中对器件特性的影响。本文就高压大功率IGBT模块的动态特性进行分析。

高压大功率电机调速方案的探讨和比较

本文分两部分介绍了两种高压大功率电动机调速方案:转子端改变转差率的串级调速和定子端的高压多电平变频调速技术。第一部分介绍了串级调速的工作原理及发展过程以及它们的优缺点。这种方案特别适合那些对调速性能要求不高,调速范围不宽的风机、水泵类负载,但它的缺点是功率因数低,因此提出了内反馈斩波串级调速,特别是引入 IGBT 的 PWM 整流技术代替晶闸管逆变使这种方案的性能得到很大的提高。第二部分主要介绍了多电平的拓扑结构和控制策略,并给出了相应的仿真波形以及应该注意的问题。这种方案适合那些要求性能比较高,调速范围宽和动态响应比较快的场合。最后对这两种方案做了分析和比较。

大功率IGBT的PSPICE仿真模型

应用等效模拟的方法建立了大功率IGBT的PSPICE仿真用直流模型和动态模型 ,并对其进行了直流特性和动态特性的研究。对照仿真值与器件的实际值相比 ,所有特性均较吻合 。

国产IGBT高压变频器驱动国内最大功率同步电动机获得成功

由成都佳灵电气制造有限公司“研制的国产IGBT直接串联高压变频器，驱动国内最大功率36MW/10KV无刷励磁同步电动机，完成电机型式试验，在上海电气集团上海电机厂有限公司获得圆满的成功。