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。

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。

功率模块压接型IGBT温度循环试验热负载施加方法

温度循环试验是研究功率模块压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)特性的重要试验手段。为此,以柔直换流阀功率模块压接型IGBT为研究对象,结合理论计算与有限元仿真分析,提出了温度循环试验热负载施加方法,并获得相应的电输入目标参数。搭建了温度循环试验平台,对器件温度进行实时监测,综合对比分析功率模块受试IGBT器件的结温、壳温、散热器测温点温度数据。通过仿真结果验证了所提方法的有效性,可为同类型压接IGBT试验提供研究思路。

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。

压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律及失效形式研究

压接型高压IGBT是柔性直流输电用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中的核心器件,其在长期运行中逐渐发生热老化并最终失效,影响着MMC的运行性能。利用压接型高压IGBT的门极驱动信号演化规律监测器件状态对于是实现MMC子模块状态监测的重要手段。文中首先搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中定期测试器件门极驱动信号波形。结果表明随着老化循环次数的增加,压接型IGBT门极驱动电压上升沿米勒平台时间长度增大,门极驱动电流下降沿凹槽位置滞后。其次,对热老化失效以后的压接型IGBT芯片表面进行观测,发现芯片发射极门极氧化层附件出现裂纹,这一热老化失效形式是门极驱动信号变化的主要原因。最后,根据压接型IGBT内部多物理场耦合关系建立了有限元仿真模型,计算结果表明热应力在附加金属层与下钼层接触界面的边缘区域数值较大,在长期交变的应力疲劳后造成门极氧化层裂纹萌发,逐渐导致门极失效。文中研究结果说明了利用压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律在线监测其门极老化状态具有一定意义。

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。

高压大功率弹性压接型IGBT器件封装绝缘结构中的电场瞬态特性

压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是支撑柔性直流装备研制的核心器件,弹性压接型IGBT能更好地实现器件中各并联芯片的压力均衡,在电网应用场景中前景广阔。然而,器件内部的绝缘问题是高压器件研制过程中面临的主要挑战之一,因此,有必要在实际工况下分析器件绝缘结构中的瞬态电场分布,以指导绝缘设计。该文针对弹性压接型IGBT器件内部的复合绝缘结构,采用时域边界电场约束方程法,分别计算了单次关断工况和重复性导通关断工况下弹性压接型IGBT器件子模组封装绝缘结构中的瞬态电场分布。结果表明两种工况下,封装绝缘结构中最大电场强度均出现在芯片/聚酰亚胺(PI)钝化层界面上,且由于介质分界面两侧的绝缘材料介电常数和电导率参数不匹配,分界面上将会积累电荷。界面电荷密度随着时间逐渐增大,并影响电场分布,使得子模组中最大电场强度的模值和位置随时间发生变化。同时,单次关断工况下,最大电场强度的模值会更大。此外,该文提出通过改变器件中使用的绝缘材料,提高界面处的材料参数匹配程度,可以实现对子模组内电场分布的改善。该文所提方法能显著降低器件内部最大电场强度的模值,可为弹性压接型IGBT器件的封装绝缘结构设计和优化提供参考。

压接型IGBT器件内部杂散电感差异对瞬态电流分布影响规律研究

压接型IGBT器件内部多颗芯片的并联连接是提高其电流等级的重要手段。然而,IGBT芯片之间的瞬态电流不均衡是限制其电流提升的主要原因之一。研究压接型IGBT器件内部的瞬态电流分布规律对于规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。该文首先通过有限元软件提取了压接型IGBT器件内部的栅极、集电极和发射极的杂散电感,得到三个杂散电感随IGBT芯片不同位置的变化规律;其次对三个杂散电感差异下的电流分布进行了理论分析,发现电流分布主要受到功率回路和驱动回路的公共支路上杂散电感的影响;同时分别对开通和关断过程中IGBT芯片内部的载流子变化过程进行分析,发现发射极杂散电感差异主要影响开通过程的电流不均衡;然后针对三个杂散电感差异分别进行电路仿真,得到杂散电感差异对电流分布的影响规律,仿真结果验证了理论分析的有效性;最后建立了两芯片的并联均流双脉冲实验平台,平台能够调节两支路之间的杂散电感差异,实验结果进一步验证了该文理论分析的有效性。

考虑接触界面全接触的压接型IGBT器件功率循环寿命预测

柔性直流输电技术的飞速发展,对换流阀用压接型IGBT器件的可靠性要求进一步提高。目前针对压接IGBT可靠性寿命模型的研究存在不足,一方面,大多数模型对接触问题考虑不全面,物理模型为焊接形式或不能滑动的联合体,不符合实际物理机理,因此可靠性模型不能全面真实反映实际情况。另一方面,解析寿命模型的拟合方法,无法单一控制变量完全解耦,单变量拟合曲线并不能准确反应变量与可靠性寿命的关系。建立了考虑全部接触问题的功率循环计算模型,针对压接型器件的封装特点引入压力作为新变量,提出一种采用改进多元线性回归拟合方法的多变量寿命模型,该分析方法可应用于压接型IGBT在功率循环下的可靠性评估。通过有限元计算结果验证,多变量寿命模型相比单变量拟合更加准确。

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。