压接式IGBT健康管理方法综述

压接式IGBT功率器件是新型电力系统应用装备中的核心部件,对其健康管理可提升IGBT使用寿命与运行可靠性,保障新型电力系统的安全稳定。首先介绍压接式IGBT器件的封装结构和主要失效模式;其次以特征参数类型的不同,对现有健康状态监测方法进行分类阐述和分析;然后归纳现有压接式IGBT寿命预测方法的原理和特点;最后对现有的健康管理技术进行综合对比分析,并指出压接式IGBT健康管理方法需要进一步研究的问题和未来发展趋势。

压接式IGBT寿命评估软件开发与案例分析

压接式IGBT功率器件是新型电力系统应用装备中的核心部件之一。由于电力设备工作环境复杂,工况多变,长期作用下会导致功率器件发生疲劳失效。为保证电力系统关键设备的安全稳定运行,需要对压接式IGBT器件的剩余寿命进行评估,从而在器件发生失效前及时进行相应的处理。首先通过建立压接式IGBT器件多物理场模型分析影响器件老化进程的力学参数;然后,基于分析结果,在现有寿命预测模型中选取适合于压接式IGBT的模型,并开发适用于压接式IGBT的寿命评估软件;最后用寿命评估软件进行案例分析,得到器件的寿命评估结果,对器件的应用提供了指导。

基于导通压降的大容量IGBT模块结温观测与误差分析研究

压接式绝缘栅双极性晶体管PP-IGBT(press-pack insulated gate bipolar transistor)模块因其优越的电气性能和可靠性,广泛应用于柔性直流换流阀等大功率应用场景。IGBT芯片结温的准确观测对于其运行状态的监测与剩余寿命的评估都非常重要。已有结温观测方法多是针对键合引线式IGBT,未考虑到压接式模块的特性,无法直接应用。首先,针对大容量换流阀中的压接式IGBT,提出了一种实用的模块导通压降与结温标定方法,并对结温在线估计的误差进行了全面分析。然后,基于ABB公司5SNA 3000K452300压接式IGBT模块(4500 V,3000 A)设计了结温标定方案,包括实验电路、温度标定范围选择、结温控制方式、测量电路及标定实验步骤。最后,基于脉冲测试平台,对所提方法进行了验证。实验结果表明,所提结温标定与观测方案有效,结温观测误差在±5℃以内,且能适用压接式IGBT模块存在差异的情况。

基于多物理场耦合的压接型IGBT功率循环应力特性仿真分析

压接型IGBT器件广泛应用于高压柔性直流系统中。由于在功率循环实验以及实际运行中,器件不同材料之间存在的热膨胀效应会显著影响机械应力,其难以通过实验仪器获取,进而造成疲劳寿命预测困难以及不准确,因此需要研究与实际相符的高精度仿真模型计算器件内部的应力参数。首先,分析了影响IGBT器件有限元模型准确性的物理特性,并提出考虑IGBT芯片动态电导率的高精度IGBT电-热-力多物理场耦合模型。其次,通过器件饱和压降、结温以及Von Mises应力对所搭建模型进行实验对比分析,验证了模型的准确性。最后,利用所提出的多物理场耦合模型仿真分析了压接型IGBT器件在工况以及功率循环过程中的应力变化特性,提出“额外应力差”这一概念以表征IGBT在功率循环中应力存在的特殊变化规律并分析了额外应力差的产生机理,明确应力特性对在研究寿命预测等问题时具有的意义。

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。

压接型IGBT器件短路失效管壳爆炸特性及防护方法

压接型绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为现有柔性直流输电设备的核心部件,在实际应用中,由于承受高电压、大电流的工作环境,容易发生短路过流失效,进而造成的结构爆炸现象。为研究这一爆炸现象的破坏效应及其防护,该文结合多组模拟模块化多电平工况实验,得到IGBT器件短路过流失效爆炸后外壳结构的变形特征。结合电气能量特性的分析和实际爆炸失效形貌特点,建立该IGBT器件结构的数值仿真模型,初步确定实际爆炸过程中的等效TNT爆炸当量。在此基础上,从提高结构自身抗爆能力、增加能量外泄通道、替换结构材料等角度开展IGBT器件的结构优化设计,并进行相关试验验证。结果表明,将管壳的陶瓷材料替换为纤维增强复合材料可有效提高结构的防爆性能,降低器件的破坏程度。

压接式IGBT组件的压力均匀性仿真分析

针对压力不均会导致压接式IGBT模块不同区域的接触电阻和接触热阻不同,进而导致芯片局部温度过高和使用寿命降低等问题,本论文采用有限元方法建立压接式IGBT组件在接触条件下的有限元模型,对比分析实际结构与理想条件的接触压强,并提出改进方案。结果表明:原始方案的中心区域芯片接触压强可达44.96MPa,是理想条件接触压强的1.98倍,压力分布不均问题可以从均匀化轴向载荷和增加散热器四周刚度两个方向解决;加工散热器拱度的改进方案可以降低中心区域芯片的接触压强,但四周的芯片总是承受较大的轴向载荷;增加散热器厚度的改进方案可使四周的芯片保持接触,但会增加散热器的重量与热阻;增加支撑环的改进方案可使芯片接触压强降低44%,达到与理想条件接近的受力状态。利用接触压强的仿真分析方法可为压接式IGBT组件结构优化设计提供依据。

电网用5200V压接式逆导IGBT模块

为了进一步增大功率密度、降低热阻,基于平面增强型U形IGBT元胞结构设计了一种优化芯片背面的逆导(RC)IGBT芯片。通过将RC-IGBT芯片柔性压接封装成模块,研究模块的高温动、静态性能和子模组的极限性能。通过在芯片正面增加n型载流子存储层结构和结型场效应晶体管(JFET)区注入降低正向导通压降(V_(CE,on)),通过在芯片背面逐渐减小n+区域宽度消除正向导通压降回跳现象。测试结果表明,该模块在125℃、3000 A下V_(CE,on)为3.18 V,反向导通压降(V_(F))为1.95 V。3400 V母线电压下,子模组IGBT能关断3.9倍额定电流,可以通过21 V栅压、10μs的一类短路极限测试;快恢复二极管(FRD)的反向恢复瞬时功率峰值达6 MW以上,并可通过峰值电流达23倍额定电流(11.5 kA)的浪涌测试。相比同类产品,该RC-IGBT模块静态性能和极限性能均具有明显优势,能应用于大电流复杂工况的电网环境中。

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。

高压IGBT劣化机理分析及状态监测技术研究综述

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电(VSC-HVDC)技术在电力传输等领域得到广泛应用。高压IGBT的劣化机理分析及状态监测技术对于保证MMC的可靠性具有重要意义。高压IGBT有焊接型和压接型两种不同的封装形式。目前焊接型IGBT的劣化机理研究综述较多,但是缺乏压接型IGBT的相关总结。因此,首先总结了压接型IGBT的状态劣化形式和机理。然后从电学、热学和绝缘参量的角度分析了近年来国内外高压IGBT状态监测领域的研究现状,特别补充了关于压接型IGBT的有关内容。最后,基于对国内外研究中存在问题的分析,展望了MMC用高压IGBT状态监测技术的发展趋势和值得深入研究的方向。对于MMC用高压IGBT状态监测技术研究具有一定意义。

采用纳米银焊膏烧结互连技术的中高压IGBT模块及其性能表征

智能电网用压接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块主要通过压力接触来实现热耗散,而这种封装散热方式存在界面接触不佳、散热性能差等缺点,导致同等通流能力下芯片的结温偏高,电性能下降,甚至影响其长期可靠性。为了克服这些问题,提出了采用纳米银焊膏作为芯片连接材料替代压力接触与芯片形成电触点的方式,研发了一款针对智能电网的采用纳米银焊膏的烧结式IGBT模块;并表征了烧结式IGBT模块的整体热阻、静态电性能及芯片剪切强度,完成了与商用同等级压接式IGBT模块的性能比对。实验结果显示:烧结式IGBT模块的热阻比压接式IGBT模块下降了15.8%;2种模块的静态电性能的测试结果基本一致,进一步验证了烧结式IGBT模块的封装可行性;对于大面积IGBT芯片(尺寸为13.5 mm×13.5 mm),其连接芯片烧结银接头的剪切强度约为20 MPa,接头质量较高。以上结果说明采用纳米银焊膏封装高压IGBT模块,不仅可以显著降低压接IGBT模块的热阻,同时仍能获得良好的静态电性能。因此,由于其在高压大电流电能运输过程中较高的转换效率及功率密度,烧结式IGBT模块有望应用于智能电网。

混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。

压接型IGBT器件封装退化监测方法综述

压接型IGBT器件是智能电网中大容量电力电子装备的基础核心器件,其可靠性直接关系到装备及电网的运行安全,而封装失效是其主要失效模式,封装退化监测是实现其故障诊断、状态预测及智能运维的关键。针对现有研究大多侧重于传统焊接型IGBT器件封装退化监测的问题,该文以压接型IGBT器件为研究对象,首先,介绍压接型IGBT器件封装结构;然后,系统分析微动磨损失效、栅氧化层失效、接触面微烧蚀失效、边界翘曲失效、弹簧失效、短路失效、开路失效共七种封装失效模式及对应的封装退化监测方法,并提出现有监测方法存在的问题;最后,从封装退化表征及评估、非接触式监测、高灵敏度监测三个方面,展望压接型IGBT器件封装退化监测新思路。

内部压力不均对压接式IGBT器件电热特性的影响分析

大规模多芯内部并联的压接式IGBT(PPI)器件是柔性直流输电装备的关键部件,针对器件设计和工艺等因素可能导致并联芯片内部压力不均、压接式封装结构难以直接提取内部压力不均状况及其影响的问题,提出一种基于单芯压接式器件并联,模拟研究多芯器件内部压力不均影响的方法。首先,基于压力对单芯器件的影响规律,建立两个独立PPI器件并联的有限元模型,模拟分析不同压力对多芯并联器件电热特性的影响。然后,建立两个单芯PPI器件并联运行的模拟实验平台,验证并联仿真模型的有效性。最后,将并联模型拓展至3300V/1500A实际PPI模块的特性仿真,分析了多芯并联模组内部压力不均对电热特性的影响规律。结果表明,内部压力不均影响多芯并联器件内部的电、热特性分布,其中压力对热阻的影响是器件温度分布的决定性因素,而且随着压力不均程度的增加,芯片间的电热特性差异更明显。压力不均导致的温度差异随着老化程度的增加而增加,并将进一步加速芯片老化,严重影响器件的可靠性。

高压直流断路器用压接式IGBT芯片封装设计

随着大功率电力电子器件的快速发展,通过压力封装的IGBT器件得到了广泛关注。针对新型压接式大功率IGBT器件的设计,开展了基于有限元的电场仿真计算,建立了IGBT芯片子模组的仿真模型,确定了电场集中的3个区域,即纵向间隙、横向间隙、银片与框架间隙3处,并分析提出了在相应的区域增加半导体均压层和增大间隙等切实可行的改进措施。

压接型IGBT器件接触电阻计算及影响因素分析

压接型IGBT器件封装材料间的接触电阻大小及分布规律直接影响其电热分布特性与运行可靠性,然而现有接触电阻计算的方法大都依赖于半经验模型,未能考虑表面形貌参数影响,难以准确表征,该文提出考虑材料表面形貌参数及接触压力影响的压接型IGBT器件接触电阻模型及影响规律研究。首先,基于电接触理论,建立考虑材料电阻率、接触面接触压力、粗糙度及微硬度参数的接触电阻数学模型。其次,通过分析材料表面特性选定接触电阻模型参数,建立单芯片压接型IGBT器件有限元仿真模型计算接触压力,获取器件内部接触电阻分布规律,并通过器件导通电阻测量,间接验证所建接触电阻模型的有效性。最后,分析接触压力、芯片电阻率及表面粗糙度对压接型IGBT器件接触电阻的影响规律。结果表明,相对COMSOL软件内置模型,所建接触电阻模型可更加准确地表征器件内部接触电阻变化规律。相比其他接触面,芯片与钼片间的接触电阻最大,且当接触压力较小时,接触电阻受电阻率、粗糙度及压力的影响更明显。

压接式IGBT和晶闸管器件失效模式与机理研究综述

高压大容量压接式绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件和晶闸管器件是高压直流输电工程中的核心器件,对能源的高效利用具有重要意义。IGBT和晶闸管等器件可靠性已成为电工装备乃至整个电力系统能够稳定可靠运行的关键问题。首先,从压接式器件传统封装结构入手,介绍了压接式器件的弹簧式多芯片封装和凸台式多芯片/单芯片封装,对比了3种封装结构的性能。其次,阐述了压接式器件封装级失效模式与机理,结果表明热膨胀系数不匹配是封装级失效的最主要原因。同时,也对IGBT和晶闸管芯片级失效做了梳理,结果表明电气过应力是芯片级失效的主要原因。然后,简单阐述了压接式器件的新型封装结构与技术。最后,展望了压接式器件未来可能的研究重点。

基于多层级模拟的压接型IGBT器件短路失效机理分析

压接型绝缘栅双极晶体管(press pack insulated gate bipolar transistor,PP-IGBT)器件具有功率密度高、短路失效等优势,已被广泛应用于柔性直流输电换流阀中。现有压接型IGBT器件短路失效研究主要基于宏观测试结果,难以揭示由微观材料失效诱发器件短路失效的机理,该文基于圧接型IGBT器件短路测试结果,提出压接型IGBT器件短路失效机理的多层级模拟方法。首先,搭建短路冲击实验平台,基于短路实验获取失效发生条件与失效芯片;其次,建立压接型IGBT宏观器件——介观元胞模型,研究圧接型IGBT器件短路失效时器件–元胞复合应力变化规律;最后,建立微观元胞铝–硅界面分子动力学模型,分析短路失效发生条件,揭示短路失效机理,并提出芯片失效部位相对概率分布。结果表明,短路工况下芯片靠近栅极的有源区边角是最容易发生失效的薄弱区域,铝、硅材料失效是导致压接型IGBT器件短路失效的直接原因。

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模与分析

大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况,必然对压接型绝缘栅极晶体管(IGBT)器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法,首先,建立单芯片压接型IGBT器件电–热–机械多物理场仿真模型,通过实验验证IGBT仿真模型的有效性;其次,考虑器件内部各层材料的疲劳寿命,建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型,分析了单芯片器件各层材料薄弱点;最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构,建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型,分析器件应力分布,并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明,压接型IGBT器件内部的温度、von Mises应力分布不均,最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘;多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异,边角位置处芯片表面应力最大,可靠性最低。

不同封装形式压接型IGBT器件的电-热应力研究

基于多物理场建模对比分析全压接和银烧结封装压接型IGBT器件的电-热应力。首先根据全压接和银烧结封装压接型IGBT的实际结构和材料属性,建立3.3 kV/50 A压接型IGBT器件的电-热-力多耦合场有限元模型;其次仿真分析额定工况下2种封装IGBT器件的电-热性能,并通过实验平台验证所建模型的合理性;然后研究了3.3 kV/1500 A多芯片压接型IGBT模块的电-热应力,并探究了不同封装压接型IGBT器件电-热应力存在差异的原因;最后比较了2种封装压接型IGBT器件内部的电-热应力随夹具压力和导通电流变化的规律。结果表明银烧结封装降低了压接型IGBT器件的导通压降和结温,提升了器件散热能力;但银烧结封装也增大了IGBT芯片表面的机械应力,应力增大对IGBT器件疲劳失效的影响亟需实验验证。