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。

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。

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。

大容量全控型压接式IGBT和IGCT器件对比分析:原理、结构、特性和应用

全控型压接式器件是大容量电力电子装备实现功率转换的核心,主要包括以集成门极换流晶闸管(integratedgate commutatedthyristor,IGCT)为代表的晶闸管类器件和以绝缘栅型双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)、注入增强栅极晶体管(injection enhanced gate transistor,IEGT)为代表的晶体管类器件。文中首先介绍并比较IGCT与IGBT(含IEGT)的芯片结构及制作工艺,然后分析对比IGCT与IGBT(含IEGT)的工作原理及封装形式。接着从工作频率、关断能力、动态耐受、器件容量、工作损耗、驱动功率、管壳防爆特性、失效短路特性、器件可靠性等9个角度出发,系统性分析不同全控型压接式器件的工作特性,最后对其应用现状及前景进行概述及展望。

IGBT封装形式对结温测量精度的影响

高压大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件的不同封装形式(压接型IGBT器件和焊接式IGBT模块)使其热学特性尤其是散热路径存在很大差异,最终可能会影响结温测量方法的适用性和准确性。基于有限元法建立了可表征压接型封装和焊接式封装的等效热学仿真模型,详细研究了小电流下饱和压降结温测量法的物理过程,对比分析了两种封装形式结温测量的精确度。仿真结果表明,小电流下饱和压降结温测量法存在固有测量误差的问题,在高压大功率IGBT模块中尤为突出,但是由于压接型IGBT器件双面散热的特性使芯片内部温度分布更均匀,也使结温测量的误差相对较小。

基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法

压接式绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)模块因优越的电气性能和封装设计,受到柔性直流输电等大功率应用场合的青睐,其模块可靠性也成为大功率应用场合研究的重点,而IGBT模块结温是影响器件可靠性的重要因素。基于压接式IGBT模块双脉冲测试平台,介绍一种基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法,分析压接式IGBT芯片结温和模块关断电流最大变化率间单调变化关系,并利用压接式IGBT模块封装结构固有的寄生电感有效获取关断电流最大变化率的信息,以此来反推模块结温特性。最后通过压接式IGBT双脉冲测试平台验证了通过模块关断电流最大变化率进行压接式IGBT结温提取的可行性。

单芯片压接式IGBT老化试验及失效机理研究

针对现有的多芯片压接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)平台难以监测每个芯片运行情况的问题,通过参考焊接型IGBT相关的试验控制策略、试验流程和数据采集,进行了可控压力的单芯片压接式IGBT模块的功率循环平台试验设计研究,通过功率循环试验研究了不同压力下压接式IGBT的失效机理,得到了单芯片模块可能的主要失效模式和模块的薄弱环节。试验结果表明,单芯片压接式IGBT模块的主要失效模式是微动磨损和栅氧化层损坏,模块的薄弱环节在于芯片与下钼层之间、栅极弹簧顶针与栅极接触处。该研究可为使用压接式IGBT的换流阀、断路器等设备的安全评估和可靠性监控等方面提供理论参考和数据支撑。

压接型IGBT器件封装内部多物理场耦合问题研究概述

压接型绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolar transistor,IGBT)器件相对传统焊接式IGBT模块而言具有功率密度大、可靠性高、易于串联和失效短路等优点,现已逐步应用到高压直流输电等高压大功率应用场合。在压接型IGBT器件中,各组件通过外施压力堆叠在一起形成电学和热学接触,内部除温度场和电磁场外,还需考虑应力场的作用,各场通过耦合变量形成联系,构成了一个复杂、非线性的多物理场耦合问题,给建模与计算带来了巨大挑战。该文对近年来国内外压接型IGBT器件多物理场耦合问题的研究现状进行综述,建立多物理场问题的数学描述,并梳理考虑多子模组相互作用的耦合关系,提炼多物理场耦合问题中的难点,即耦合关系的建模及对比分析、多物理场耦合问题的准确描述与简化及多物理场耦合算法的改善等。文中针对这些难点,在总结现有研究成果的基础上,指出今后需要深入研究的重点问题,借鉴相关领域研究成果,给出可能的解决方案。

压接式IGBT动态测试平台杂散电感的提取（英文）

压接式IGBT器件动态特性测试平台的杂散电感对于开关特性影响很大,准确提取测试回路中的杂散电感对于分析器件的开关特性非常关键。由于换流回路中存在二极管以及电阻,传统的杂散电感提取方法在提取杂散电感的过程中忽略了这些非线性电阻的影响,从而影响了计算结果的准确性。通过假设IGBT关断和下一个开通瞬态过程中,直流母线电压以及负载电流不变,提出同时采用关断和开通瞬态的电流、电压波形来提取杂散电感。这种方法消除了回路中非线性电阻的影响。为了验证这种方法的准确性,用Synopsis Saber软件进行了电路仿真分析;同时,搭建了压接式IGBT动态特性测试平台,在不同电压、电流等级条件下进行了开关特性测试以及杂散电感提取。仿真和实验结果验证了所提方法的正确性。

压接式IGBT芯片的研制

基于现有工艺平台开发了一款具有自主知识产权的3 300V/50A非穿通型(NPT)压接式IGBT芯片。该芯片元胞采用平面型结构,元胞注入采用自对准工艺,背发射极采用透明集电极技术。为适用于压接封装,避免压力对MOS沟道的影响,在有源区淀积第二层厚金属铝,并在JFET区上方用场氧垫高。终端采用场环+多级场板复合结构,结合横向的场终止技术,实现高效率的终端结构设计。将此设计进行流片验证,测试结果显示击穿电压4 200V以上,饱和压降3.75V,阈值电压7.1V,实测值和仿真值相差不大。将压接式芯片封装成3 300V/600A压接式模块,饱和压降较芯片级偏小0.05V。

压接型IGBT器件绝缘研究：问题与方法

按绝缘失效模式,将压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的绝缘问题分为漏电和放电问题。借鉴电力电子学科研究范式,提出从绝缘测试、物理分析和可靠设计3个维度进行压接型IGBT器件绝缘研究的方法。同时,分别从这3个维度对压接型IGBT器件绝缘研究现状进行分析。最后,根据绝缘测试要求和物理分析参数,给出压接型IGBT器件绝缘优值,为压接型IGBT器件绝缘可靠设计提供了量化指标。

压接式IGBT在电力系统应用特性分析

高压大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件主要包括模块式和压接式两种封装类型的器件,模块式IGBT器件在国内已经得到广泛应用;压接式IGBT器件具有双面散热特性、短路失效模式等优良的特性,尤其适用于串联型电压源换流器场合,在电力系统应用领域具有独特的优势。在串联应用时,需要重点考虑串联电压平衡控制、短路保护、抗电磁干扰设计等因素。

压接型IGBT的接触热阻模型优化与热特性研究

压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)内部存在多层接触界面,为研究界面间接触热阻对器件整体热特性的影响,建立了考虑接触热阻的压接型IGBT热仿真模型。通过建立压接型IGBT器件结构场模型计算器件内各接触层的接触压力分布,使用Bahrami塑性接触热阻模型计算微接触热导;通过测量不同流速时器件结到环境的瞬态热阻抗曲线,验证了热仿真模型;并以该模型为基础,研究了压装力对器件热特性的影响。压装力为70 kN时,压接型IGBT器件内接触热阻占器件热阻的24%;器件压装力增大会使界面上接触热阻减小,器件整体热阻降低,且热阻变化量也会降低;器件在其标定压装力范围(60～90kN)内,器件热阻值变化在0.8%以内。

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。

压接型IGBT内部栅极电压一致性影响因素及调控方法

压接型绝缘栅双极晶体管(IGBT)的驱动印制电路板(PCB)寄生参数不一致会引起瞬态过程中内部IGBT芯片栅极电压不一致,芯片不能同时开通,造成芯片的瞬态不均流。结合压接型IGBT驱动PCB结构及运行工况,建立了包含驱动源、芯片模型、驱动PCB的一体化电路模型,分析了栅极内电阻、栅射极电容以及驱动电阻对驱动电压一致性的影响。在此基础上提出了驱动PCB电感匹配、并联芯片数匹配以及集中电阻补偿的驱动PCB的调控方法,以实现对栅极电压一致性的有效调控。研究表明驱动电阻是造成芯片栅极电压不一致的主要因素。利用上述调控方法可将芯片开通时间的不均衡度由79.2%分别降低至2.86%、7.1%和7.5%,实验验证了所提出的驱动PCB调控方法的有效性。

具有宽安全工作区的压接式IGBT芯片研制

针对柔性直流输电关键装备高压直流断路器的特殊需求,基于现有工艺平台开发了一款宽安全工作区的3 300V/50A压接式IGBT芯片。为降低2~4 ms过电流冲击过程中的芯片温升,纵向采用非穿通结构。同时,采用阶梯栅氧结构,引入第二雪崩区,降低动态闩锁发生的风险,提高器件的安全工作区。为适用于压接封装,开发了厚金属电极工艺,实现对压力的缓冲。将此结构流片验证,并进行模块级测试,芯片可在1 800V电压下达到6.5倍以上额定电流安全关断,短路电流可在20μs内安全关断,具有宽安全工作区水平。