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。

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.

压接型IGBT芯片动态特性实验平台设计与实现

压接型IGBT芯片在正常的运行工况下承受着电-热-力多物理量的综合作用,研究电-热-力影响下的IGBT芯片动态特性对于指导IGBT芯片建模以及规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。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,该文结合双脉冲测试电路原理,研制出具备电-热-力灵活调节的压接型IGBT芯片动态特性实验平台。通过对动态特性实验平台关键问题进行有限元仿真计算,实现平台回路寄生电感、IGBT芯片表面压力分布及机械夹具温度分布的优化设计。在此基础上建立压接型IGBT芯片动态特性实验平台,对实验平台进行综合调试,结果表明,该文所设计的实验平台具有寄生电感小、IGBT芯片表面压力分布均衡及机械夹具各组件温度分布合理的特点,可以满足电-热-力综合影响因素下压接型IGBT芯片动态特性实验的需求。

高压大电流(4500V/600A)IGBT芯片研制

提高绝缘栅双极晶体管(IGBT)单芯片电流容量,对减小封装器件芯片并联数、简化封装结构、改善芯片均流至关重要。该文基于高压、大电流、高可靠性IGBT应用需求,通过高压IGBT芯片坚强元胞设计及其协同控制技术实现了元胞之间的开关同步,通过光刻拼版技术解决大尺寸芯片的工艺制造,通过单芯片压接封装验证了大尺寸芯片设计及其性能,探索出一条大尺寸IGBT芯片设计、制造与验证的技术路径。研究开发了全球第一片42mm×42mm大尺寸高压IGBT芯片,攻克了高压IGBT芯片内部大规模元胞集成及其均流控制的技术难题,首次实现了4500V/600A单芯片功率容量,具备优良的动静态特性和更宽的安全工作区,并可以显著提高IGBT封装功率密度与可靠性。

计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法

在大量芯片并联的IGBT器件内部,热阻和发射极寄生电感是决定芯片稳态结温分布的关键参数。因此,合理设计芯片并联支路的热阻和发射极寄生电感,对均衡并联芯片的稳态结温非常重要。为此,该文首先建立两IGBT并联芯片的电热模型,研究并联IGBT芯片动态损耗与结温、发射极寄生电感之间的规律。并通过瞬态电热耦合计算,研究热阻和发射极寄生电感对并联芯片结温分布的影响。在此基础上,提出计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法,可通过联立方程得到热阻或发射极寄生电感的参考值,从而避免复杂的电热瞬态计算。最后以两IGBT并联芯片为例,给出不同工作频率下并联芯片的稳态结温,表明了该文所提稳态结温均衡方法的有效性。

高压IGBT芯片换流运行的热稳定性分析

为保证高压绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)器件换流运行时的热稳定性,需要根据IGBT芯片的电热特性和器件的散热设计,确定芯片运行的热稳定工作区,从而指导器件的运行条件控制。虽然针对芯片动静态损耗的热稳定性分析已经发展了许多年,但目前针对高压芯片的相关研究还较少。首先,通过实验测量了3.3 kV非穿通(Non-Punch Through,NPT)型和场截止(Field Stop,FS)型IGBT芯片的动静态特性,获得并分析了温度、电流及电压对动静态损耗特性的影响规律。在此基础上,给出了IGBT芯片的损耗拟合公式,通过对器件内部的热反馈过程进行分析,提出了具有解析形式且包含占空比、换流频率及电压电流等器件运行工况的IGBT芯片的热稳定性判据。根据所提的判据,分析了高压NPT型和FS型IGBT芯片的换流运行的热稳定性,可方便确定IGBT芯片在不同的换流条件下的最大工作频率和最大工作电流,简化了高压IGBT芯片的热稳定性分析,并可为高压器件的选型和损耗评估提供依据。

压接型IGBT器件内部芯片电流测量时罗氏线圈的误差分析及改进方法

压接型IGBT芯片的并联使用是提高IGBT器件电流等级的重要手段。然而芯片之间的电流不平衡限制了器件的最大额定电流。通常需要通过实验测试的方法评估这种不均流度,然而难点之一是如何准确测量压接型IGBT器件内部芯片的电流。罗氏线圈因其具有灵活、无饱和、非嵌入式等优点,是目前用于压接型IGBT器件内部电流测量的主要手段。已有的研究表明,罗氏线圈在测量压接型IGBT器件内部芯片电流时出现了较大的误差。文中针对罗氏线圈在压接型IGBT器件内部芯片电流测量的特殊应用工况,分析电流测量误差产生的原因;建立罗氏线圈误差模型,并推导误差解析公式;采用误差解析公式提出2种减小测量误差的方法;最后,通过实验验证所提误差解析公式及减小测量误差方法的有效性。

高压多芯片并联IGBT模块故障监测方法

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电力电子装置的关键核心器件,其高可靠性是系统长久稳定运行的重要保障,对IGBT模块进行故障监测是提高系统可靠性的有效方式之一。提出一种新的健康敏感参数-栅极-发射极导通前电压VGE(pre-on),用于监测高压多芯片并联IGBT模块中的IGBT芯片故障。首先,对现有故障监测方法进行比较,然后建立导通前电压可靠性模型,再通过监测导通瞬态期间的VGE(pre-on)来检测高压多芯片并联IGBT模块中的IGBT芯片故障。为验证该方法的可行性,对16芯片DIM800NSM33-F IGBT模块进行了仿真,结果显示,在不同外部条件下,每个并联IGBT芯片故障所产生的导通前电压VGE(pre-on)的平均偏移约为900 mV,且具有较高的灵敏度和抗干扰能力,可有效监测IGBT模块芯片故障。

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。

具备更强机械性能的高功率IGBT模块——采用最新3.3kV IGBT3芯片技术

本文介绍了新一代IHM.B具备更强机械性能的高功率IGBT模块,其融合了最新的设计、材料、焊接和安装技术。首批IHM.B模块将搭载最新的、采用沟槽栅单元设计的3.3kV IGBT3芯片,在保持机械兼容性的同时,极大地提高了器件的热效率和电气效率。本文还对宇宙射线以及功率循环试验进行了研究。

具备更强机械性能的高功率IGBT模块——采用最新3．3kV IGBT3芯片技术

本文介绍了新一代IHM．B具备更强机械性能的高功率IGBT模块，其融合了最新的设计、材料、焊接和安装技术。首批IHMB模块将搭载最新的、采用沟槽栅单元设计的3．3kV IGBT3芯片，在保持机械兼容性的同时，极大地提高了器件的热效率和电气效率。本文还对宇宙射线以及功率循环试验进行了研究。

针对电焊机和等离子体切割机应用的IGBT模块开发

以优化电焊机/等离子切割机用IGBT模块为例,阐述针对特定应用开发IGBT模块的概念。针对IGBT模块在该行业应用中存在的问题,从两个方向优化模块,一方面通过优化IGBT芯片厚度和少数载流子浓度分布,IGBT芯片的关断损耗(E_(off))降低至1.97 m J,而饱和压降(V_(ce(sat)))和开通损耗基本维持不变;另一方面通过优化模块内部栅极布线解决了模块的自激振荡和切割机起弧时存在的电压电流振荡问题。优化后的模块带负载(满载的75%)稳定工作5 min的温升仅为24.6℃。与优化前相比,优化后的模块温升降低了9.5℃;和试封的参照模块M3(RQ)、M4(RL)相比,优化后的模块温升分别降低了0.9℃和16℃。优化后的模块自激振荡测试时和切割机应用中起弧时的振荡明显降低。

基于热传导模型的IGBT结温计算方法

针对IGBT芯片结温难以直接测量的问题,提出了一种基于热传导模型的IGBT结温计算方法。基于经典的Cauer型RC网络结构,建立了变流器热传导模型;结合传递函数概念和热传导模型结构,完成了变流器热传导模型的参数识别;通过查阅IGBT产品手册以及实际工作工况,计算得到IGBT实时功率损耗;最终通过MATLAB/Simulink进行仿真计算,得到变流器IGBT芯片的实时结温。此方法实现了IGBT芯片结温的快速计算,为IGBT可靠性和寿命评估提供了数据支撑,同时也为功率模块及变流器的设计研发提供了新的科学依据。

电动汽车IGBT的研究与应用

文章分析了电动汽车对IGBT器件的特殊要求,总结了国内外知名厂商针对电动汽车IGBT芯片、模块封装的最新技术路线与研究现状,同时介绍了国内外典型电动汽车IGBT产品的技术特点与应用情况;展望了电动汽车用IGBT器件的未来发展趋势,指出未来电动汽车用IGBT将向更高功率密度、更高工作结温、更高可靠性以及小型化、智能化、定制化的方向发展。

MMC子模块中IGBT的过热失效机理研究

分析了基于试验与理论的IGBT过热失效过程。首先从理论上分析IGBT过热失效机理,提出解析模型及物理模型从理论验证失效过程;基于理论基础,给出IGBT过热老化试验结果,展示IGBT热积累过程是如何导致最终失效的结果;试验结果表明:MMC子模块IGBT结温突变是导致实际工程中过热失效最主要的原因。

大功率IGBT器件并联均流研究

为提升器件电流等级,大功率IGBT往往由多个芯片与子单元并联组成。当芯片与子单元并联时,有效控制器件内部的均流效果非常重要。文章分析了寄生电感对器件均流的影响,并通过理论推导分析了芯片参数对静态均流的影响,最后通过仿真和实验验证了芯片参数对动态均流的影响。结果表明,主回路寄生参数的不对称对均流的影响大于芯片参数差异的,而两者对开通均流的影响又都大于对关断均流的影响。

一种有效降低矿井防爆变频器损耗方法的研究

为了有效降低井下防爆变频器的损耗,提出一种基于MPC技术预测模型降低防爆变频器损耗的方法。以1140 V/2 MW防爆变频器作为研究的测试样机,然后对提出的方法进行分析,并设计相关的实验进行验证。实验结果表明该方法具有一定的可行性,可以实现变频器在动态环境、稳态环境下性能的要求。同时,还可以有效降低系统的开关损耗,满足低损耗的设计目标。