高压大功率IGBT器件绝缘结构的电场计算研究综述

随着高压直流输电技术的发展,高压大功率绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件被广泛应用于各类高压大容量电力换流和控制装备中。然而,在高压大功率IGBT器件的研制过程以及工程应用中,器件内部局部放电现象乃至击穿现象频繁发生,给器件绝缘设计带来巨大挑战。要想实现良好器件绝缘设计,就需要获得器件内部的电场分布,因此实现器件内部电场的准确计算至关重要。文中全面回顾器件内部绝缘结构的建模和计算方法的发展历程,从封装绝缘电场计算、芯片绝缘电场计算以及芯片和封装绝缘耦合电场计算3个方面介绍相关研究的发展历程、适用范围以及相应的不足,最后展望未来器件内绝缘结构电场计算的发展方向。

压接型IGBT芯片的参数分散性对其并联时关断均流的影响

压接型绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的多芯片并联关断期间会出现严重的不均流现象,直接影响到器件的关断可靠性。文中重点研究压接型IGBT芯片参数对其并联时关断均流的影响,首先,根据IGBT单芯片的关断机理和波形,分析芯片参数对IGBT单芯片关断各个阶段内集电极电流变化的影响规律;其次,定义多芯片并联关断波形中出现的第一类及第二类电流竞争峰谷,建立针对第一类电流竞争峰谷的随机分布模型,获得芯片参数以及并联数目对关断均流的影响规律,通过并联双芯片的双脉冲实验,验证所得规律的有效性;最后,结合分析结果提出阈值电压与饱和压降的相互补偿以及保持阈值电压差与跨导差异号等芯片筛选建议。研究成果可以为并联压接型IGBT芯片的参数筛选工作提供指导。

弹簧式压接IGBT模块内部应力及温度仿真分析

功率半导体器件的寿命与其内部的热力情况直接相关,而接触热阻严重影响压接式IGBT模块内部的温度分布,因此对于接触热阻的精确模拟尤其重要。本文对弹簧式压接IGBT进行了有限元仿真建模,基于蒙特卡洛方法来模拟接触热阻,详细分析了IGBT芯片表面温度和力的分布,提出了施加在单个芯片上的适当压力。对比了子模组中不同芯片表面的温度和应力大小,分析了多芯片子模组中极易首先发生失效的芯片。本研究结果可为弹簧式压接IGBT模块在实际生产制造和提高寿命方面提供理论参考。

弹性压接型IGBT器件封装结构对芯片内部电场的影响研究

高压大功率电力电子器件内部电场的准确计算,是保证器件绝缘设计满足要求的基本条件。首先,在静态场下建立考虑封装绝缘结构和芯片半导体载流子输运过程的耦合电场计算模型,并利用高压芯片反向特性测量平台,测量获得3300V高压芯片的耐受电压,与文中所建立模型的计算结果相对比,结果表明,计及芯片和封装耦合后,芯片耐受电压的计算结果与测量结果之间的误差由不考虑封装时的4.96%降低为0.8%。此外,以文中所使用的3300V高压芯片终端结构为例,应用耦合电场计算模型,计算在不同电压下的弹性压接封装结构下电场的分布分布特性,计算结果表明在2000V下,计及封装和芯片耦合后,芯片内部最大电场为不考虑封装结构时的1.24倍,且最大电场由终端区中部转移到末端。随着施加电压的增加,封装绝缘结构对于芯片电场的影响逐渐增大,芯片终端区表面电场显著增加甚至超过芯片内的最大电场。最后,利用部分电容模型,给出外部封装对于芯片电场影响的机理解释,并分析半导体–绝缘体界面电荷密度以及外部封装绝缘材料的介电常数对于芯片电场的影响规律,该文的结果可为高压大功率器件绝缘设计提供参考。

压接型IGBT芯片动态特性影响因素实验研究

压接型IGBT器件内部具有复杂的电-热-力环境,直接影响了其内部IGBT芯片的动态特性,进而决定了整个器件的安全工作能力。为此,研究不同影响因素下的压接型IGBT芯片动态特性具有重要意义。为了全面获得电-热-力综合影响下压接型IGBT芯片的动态特性,利用所研制的具有多因素解耦、灵活调节能力的双脉冲实验平台,针对一款3.3kV/50A压接型IGBT芯片,测量获得了不同母线电压、负载电流、驱动电阻、温度及机械压力下的双脉冲实验波形。分析了不同影响因素对双脉冲波形的影响规律,对比了不同影响因素对IGBT动态特征参数影响程度,结果表明母线电压主要影响关断过程,负载电流、驱动电阻和温度主要影响开通过程,机械压力对开通关断过程的影响很小,研究结果对IGBT芯片建模及压接型IGBT器件安全运行具有重要的指导意义。

压接型IGBT芯片的参数分散性对其并联时开通均流的影响

压接型绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的多芯片并联技术已成为大功率器件设计的核心之一,而并联压接型IGBT芯片的开通均流问题因续流二极管反向恢复的存在需被重点关注。为研究压接型IGBT芯片的参数分散性对其并联时开通均流的影响,文中首先根据IGBT单芯片的开通机理和波形揭示芯片参数对IGBT开通各个阶段内集电极电流变化的影响规律;其次,通过统计直方图获得IGBT芯片阈值电压和饱和管压降等参数的正态分布特性,提出多芯片并联开通过程中集电极电流分布的统计分析方法,掌握并联IGBT芯片的参数分散性对其开通过程中电流分布的定量影响规律,推导开通过程中芯片电流的计算公式;最后,在并联双芯片的双脉冲实验中验证所得结论的有效性,提出调节阈值电压与跨导的比例以及控制饱和管压降的极差等筛选策略。本文的研究成果可以为并联压接型IGBT芯片的参数筛选提供理论指导和数据支撑。

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。

IGBT芯片测温方法与温度分布研究

推导出红外探测温度与真实温度之间的关系.通过确定合适的发射率修正方法,得到了IG-BT芯片的真实温度分布,得出芯片中心温度高于边缘温度,纠正了以往对该问题的错误认识,通过发射率修正和实验数据验证了该结论的正确性.

高功率密度IGBT模块的研发与特性分析

基于现有标准DMOS设计技术,通过优化高压IGBT&FRD芯片及其模块结构,降低芯片功耗、模块寄生电感和模块热阻,改善模块散热,提高最高工作温度。研究开发了高功率密度1 500 A/3 300 V、1 200 A/4 500 V及750 A/6 500 V IGBT模块,满足轨道交通的应用要求。

轨道交通用高压IGBT技术特点及其发展趋势

针对轨道交通用高压绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的应用特点,从芯片和模块两方面对轨道交通用IGBT的技术特点进行了分析。随着IGBT芯片及模块的设计与工艺技术发展,未来轨道交通用IGBT将朝更高功率密度、更高工作温度、更智能及更可靠的方向发展。

采用FPGA的多路高压IGBT驱动触发器研制

为有效控制固态功率调制设备,提高系统的可调性和稳定性,介绍了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)和微控制器(MCU)的多路高压IGBT驱动触发器的设计方法和实现电路。该触发器可选择内或外触发信号,可遥控或本控,能产生多路频率、宽度和延时独立可调的脉冲信号,信号的输入输出和传输都使用光纤。将该触发器用于高压IGBT(3300V/800A)感应叠加脉冲发生器中进行实验测试,给出了实验波形。结果表明,该多路高压IGBT驱动触发器输出脉冲信号达到了较高的调整精度,频宽'脉宽及延时可分别以步进1Hz、0.1μs、0.1μs进行调整,满足了脉冲发生器的要求,提高了脉冲功率调制系统的性能。

牵引用3300V IGBT芯片均匀性及其对可靠性的影响

为满足轨道交通领域牵引用3300 V IGBT芯片应具有优良的栅极控制特性、较低的通态压降和较宽的安全工作区的要求,对3300 V IGBT芯片工艺进行了深入研究。在工艺控制和关键工艺改进方面采取措施,全面提升了牵引用3300 V IGBT芯片在栅极特性、电压阻断、导通特性和安全工作区等方面的表现,进而大幅度提高了芯片的可靠性。

微机控制IGBT逆变焊机的研制

采用８０Ｃ５５２单片机控制半桥式ＩＧＢＴ逆变焊机，介绍了这种焊机的组成和工作原理。研究结果表明：所研制的ＺＸ７－５００ＩＧＢＴ焊机可满足手弧焊的要求，是一种节能、轻巧的大容量焊机。

80C552单片机控制IGBT逆变焊机的研究

以半桥式逆变焊机为例，研制了以８０Ｃ５５２单片机为核心的控制系统，介绍了该控制系统的控制原理及硬、软件的组成．经过实验研究表明：采用该系统控制自行研制的ＺＸ７－５００ＩＧＢＴ焊机，焊接参数稳定，电流控制精度为２Ａ，并具有恒流带外拖静特性和动特性响应速度快的特点．

微机控制的IGBT逆变CO_2电源

介绍了一种高性能的１６位单片机８０Ｃ１９６ＫＢ控制的ＩＧＢＴ逆变ＣＯ２电源的主电路结构、控制系统硬件电路的基本工作原理、软件设计和焊接工艺实验．实验表明：所研制的单片机控制的ＩＧＢＴ逆变ＣＯ２电源，能够精确控制输出恒压特性并配等速送丝，焊接过程稳定，飞溅明显降低，控制系统线路简单可靠．

单片机控制的大功率 IGBT 蓄电池充电系统

介绍了单片机控制大功率ＩＧＢＴ蓄电池充电系统的主电路结构及控制电路组成。该系统采用第三代ＩＧＢＴ和ＰＷＭ控制技术，通过检测充电电压、电流等参数，实现了对蓄电池的快速智能充电。

基于IGBT逆变器的大功率直流稳压电源

针对目前国内用于电源的晶闸管静态逆变器,其逆变频率的范围窄,限制在8KHz以下,实际产品一般仅为1KHz左右,且当感应器改变时,不能进行频率调节等问题,通过应用IGBT逆变器设计了一款大功率的直流稳压电源,该电源以16位单片机MPS430为控制核心,组成大功率直流稳压电源的控制系统.该系统不仅具有较高的可靠性,还具有良好的工艺性能.由于使用了高频器件,整个系统具有小型化、轻量化、高效率等优点,符合现代大功率直流稳压电源的发展潮流.本文就其设计的主要思想进行了阐述.

用于压接型IGBT器件芯片电流测量的带金属屏蔽层集成PCB Rogowski线圈的研究

柔性直流输电是构建能源互联网的重要途径,其中压接型IGBT器件是柔性直流输电换流阀的核心器件。由于单颗压接式IGBT芯片面积小,通流能力低,为了提高柔性直流输电的输电容量,需要将多颗压接式IGBT芯片并联。但是由于并联芯片电气参数差异,导致IGBT芯片在开关过程中出现不均流以及电流过冲现象。该文在PCB Rogowski线圈集总参数模型的基础上,分析IGBT测试过程中发射极与集电极电压的快速变化形成的电场对PCB Rogowski线圈测量误差的影响,提出用金属屏蔽层来消除电场干扰的方法,并实验验证该方法的有效性。接着仿真和实验分析PCB Rogowski线圈的自感和和分布电容(计及引入屏蔽层后屏蔽层与Rogowski线圈间的电容),首次从等效电路理论模型和实验分析由于屏蔽层引入造成对测量频带范围的不利影响。最后平衡屏蔽层引入的优缺点,设计一款集成的带金属屏蔽层的PCB Rogowski线圈来实时检测特定压接式IGBT器件内部并联芯片的电流。

焊层空洞对IGBT芯片温度的影响

焊层空洞是造成IGBT模块散热不良的主要因素,基于IGBT的七层结构,建立了IGBT模块封装结构的三维有限元模型并对其进行热分析,研究焊层空洞对IGBT芯片温度的影响。对比了有无焊层空洞时IGBT模块的整体温度分布,分析了空洞类型、空洞大小、空洞形状、空洞数量及空洞分布对IGBT芯片温度分布的影响。研究结果表明:芯片焊层空洞对芯片温度的影响较大,衬板焊层空洞对芯片温度的影响较小;贯穿型空洞对芯片温度的影响要大于非贯穿型空洞;单个空洞越大,IGBT芯片温度越高;相同形状的空洞,处于边角位置比处于焊层内部对芯片温度影响大;多个空洞分布越集中,芯片温度越高;焊层缝隙对芯片温度的影响要小于空洞对芯片温度的影响。因此,在封装过程中应避免出现芯片焊层空洞,以提高IGBT的可靠性。

IGBT驱动模块分析比较与选用

本文对常用IGBT驱动模块EXB841,UC3726/UC3727,IR2130进行了分析比较,给出了典型应用电路及选用方法.