3 300 V SiC MOSFET栅氧可靠性研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件因其卓越的材料性能,表现出巨大的应用前景,其中金属-氧化物-场效应晶体管MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)是最重要的器件。3 300 V SiC MOSFET可应用于轨道交通和智能电网等大功率领域,能显著提高效率,降低装置体积。在这些应用领域中,对功率器件的可靠性要求很高,为此,针对自主研制的3 300 V SiC MOSFET开展栅氧可靠性研究。首先,按照常规的评估技术对其进行了高温栅偏HTGB(high temperature gate bias)试验;其次,针对高压SiC MOSFET的特点进行了漏源反偏时栅氧电热应力的研究。试验结果表明,在高压SiC MOSFET中,漏源反偏时栅氧的电热应力较大,在设计及使用时应尤为注意。     

SiC功率MOSFET器件研制进展

碳化硅(SiC)功率金属-氧化物半导体场效应管(MOSFET)以其优越的性能受到广泛关注,但受限于器件设计和工艺技术水平,器件的潜力尚未得到充分发挥。介绍了SiC功率MOSFET的结构设计和加工工艺,采用一氧化氮(NO)栅氧退火工艺技术研制出击穿电压为1 800 V、比导通电阻为8mΩ·cm~2的SiC MOSFET器件,测试评价了器件的直流和动态特性,关断特性显著优于Si IGBT。评估了SiC MOSFET器件栅氧结构的可靠性,器件的栅氧介质寿命及阈值电压稳定性均达到工程应用要求。     

压接型IGBT均流设计

针对压接型绝缘栅双极晶体管（IGBT）内部均流设计,对多芯片压接结构及其压力均衡、压接型IGBT芯片内部均流、子单元间均流等方面进行了研究和优化设计。试验验证了压接型IGBT具有良好的电流关断能力、短路电流能力及反偏安全工作区,器件内部均流状态较好。     

高压大功率器件用6 kV/180 ℃高温反偏测试装置研制

高温反偏测试（high temperature reverse bias,HTRB）作为功率器件可靠性测试的重要环节,其测试装置的精度和功能决定了对被测器件老化程度判定的准确性。针对高压大功率器件对测试装置空间、精度以及可靠性的需求,自主研制出了电压等级6 kV、环境温度180 ℃的高温反偏测试装置。此外,该测试装置还集成了温度-漏电流关系曲线自动测量及失效期数据高频采集等功能,更为准确灵活地监测被测器件的状态,进行可靠性评估与失效分析。为验证该测试装置的各项功能及可靠性,使用该装置对商业IGBT器件进行了测试,初步测试结果表明：温度与漏电流呈指数关系,集射极漏电流随着老化的进行逐渐增大。该装置符合高压大功率半导体器件对高温反偏测试的需求且适用于不同封装的IGBT器件。     

电磁炉中部分IGBT管主要参数（上）

IGBT管是功率场效应管与普通双极型（PNP或NPN）管复合后的新型半导体元件,即绝缘栅双极晶体管,简称IGBT管。它综合了场效应管开关速度快、控制电压低、输入阻抗高和双极晶体管输出电流大、反压高、导通时饱和压降小的优点。     

IGBT产生过电流的原因及各保护方法

绝缘栅双极晶体管IGBT兼有功率三极管和场效应管的优点，在电子技术、电气传动、开关电源等场合有着广泛的应用。IGBT模块内部没有过电流限制电路，实际使用时，由于装置的设计和应用时的意外原因，可能发生短路，急剧增大的集电极电流将造成器件永久性破坏，所以使用IGBT时必须设过电流保护。     

高压大功率器件用高温栅偏测试装置研制

为准确评估硅IGBT和碳化硅MOSFET等高压大功率器件不同电应力及热应力条件下的栅极可靠性,研制了实时测量皮安级栅极漏电流的高温栅偏（high temperature gate bias,HTGB）测试装置。此外,该测试装置具备阈值电压在线监测功能,可以更好地监测被测器件的状态以进行可靠性评估和失效分析。为初步验证测试装置的各项功能和可靠性,运用该测试装置对商用IGBT器件在相同温度应力不同电应力条件下进行分组测试。初步测试结果表明老化初期漏电流逐渐降低,最终漏电流大小与电压应力有良好的正相关性,栅偏电压越大,漏电流越大。该测试装置实现了碳化硅MOSFET器件和硅IGBT器件对高温栅偏的测试需求且适用于各种类型的封装。     

大功率IGBT

日立有限公司开始生产大功率开关,八只大功率开关IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件和组件,其耐压600V,电流容量15～150A。这八个产品包括四只IGBT分立器件和四只IGBT组件,分立器件的样品价格为920～3500,组件的样品价格为7000～16000。 IGBT是一种新型大、中型功率开关器件,电路结构类似于达林顿管结构,第一级具有功率MOS场效应管,最后级有双极晶体管。     

功率器件高温高湿高压反偏测试研究综述

户外工况下,功率器件寿命受高湿环境中的水汽侵蚀缩短。用于考核湿度可靠性的传统高温高湿反偏测试最大值80V偏压已不能满足高压大功率器件加速老化测试需求,高温高湿高压反偏测试（high-voltage high humidity high temperature reverse bias test, HV-H3TRB）近年来得以开展。然而,相关研究进展慢、存在的关键问题不明等使得研究发展方向不甚明朗。首先从基本原理出发,详细论述水汽侵入功率器件、腐蚀芯片表面的机理。进一步地,针对研究对象与方法、器件失效分析、电气量老化特征等3个方面对已有研究现状进行论述与总结。最后,根据老化前后器件结构变化,总结芯片层终端、钝化层、封装材料的抗湿优化设计,并指出相关研究后续发展方向。     

功率器件高温高湿高压反偏测试研究综述

户外工况下,功率器件寿命受高湿环境中的水汽侵蚀缩短。用于考核湿度可靠性的传统高温高湿反偏测试最大值80V偏压已不能满足高压大功率器件加速老化测试需求,高温高湿高压反偏测试（high-voltage high humidity high temperature reverse bias test, HV-H3TRB）近年来得以开展。然而,相关研究进展慢、存在的关键问题不明等使得研究发展方向不甚明朗。首先从基本原理出发,详细论述水汽侵入功率器件、腐蚀芯片表面的机理。进一步地,针对研究对象与方法、器件失效分析、电气量老化特征等3个方面对已有研究现状进行论述与总结。最后,根据老化前后器件结构变化,总结芯片层终端、钝化层、封装材料的抗湿优化设计,并指出相关研究后续发展方向。     

变压器耐受直流偏磁电流数值的一点考虑

本文中作者分析了现有消除或抑制变压器直流偏磁电流主要措施的运用效果,评估了大型变压器耐受直流偏磁电流的能力,从维护电力系统整体可靠性的角度对变压器耐受直流电流数值提出了一些建议。     

基于电位补偿的变压器直流偏磁抑制装置

高压直流输电(HVDC)的快速发展使发生直流偏磁的变压器越来越多,严重影响交流电网正常运行,因此有必要对直流偏磁进行抑制。常用抑制偏磁电流的方法有中性线串电阻法、电容隔直法、电流反向注入法以及电位补偿法等。比较了现有的抑制变压器直流偏磁的主要方法,提出了基于电位补偿的变压器直流偏磁抑制装置拓扑,而后利用PSCAD/EMTDC对拓扑进行仿真,并且制作了试验样机,在低压环境下进行了模拟试验。仿真结果和试验结果一致,且符合理论分析,验证了该方法及装置拓扑的有效性和可行性。     

一种缓解NBTI效应引起电路老化的门替换方法

45 nm工艺下,负偏置温度不稳定性（negative bias temperature instability,NBTI）效应是限制电路的性能的首要因素。为了缓解NBTI效应引起的电路老化,提出了1个基于门替换方法的设计流程框架和门替换算法。首先利用已有的电路老化分析框架来预测集成电路在其服务生命期内的最大老化,然后以门的权值作为指标来识别关键门,最后采用门替换算法对电路中的部分门进行替换。基于ISCAS85基准电路和45 nm晶体管工艺的试验结果表明,相对于已有的方法,采用文中的门替换方法,使得NBTI效应引起的电路老化程度平均被缓解了9.11%,有效地解决了控制输入向量（input vector control,IVC）方法不适用于大电路问题。     

带偶倍频反电势负载的偏磁消弧线圈数字励磁系统

分析了偶倍频反电势负载对三相整流的影响,采用数字信号处理器（DSP）作为控制芯片,实现了偏磁式消弧线圈的励磁电流的数字控制,通过PI调节器输出和触发角的线性化处理,并对励磁电流滤波、取平均值,消除了偶次谐波的影响,准确反映直流量,简化了程序,使励磁电流能快速跟踪给定;以现场可编程门阵列（FPGA）作为触发脉冲生成器,精确性高,并具有相序自适应性。     

直流偏磁对变压器保护的影响及直流偏磁保护改进

随着高压直流输电工程的建设,直流系统对周边电力设备的影响逐步受到关注。当直流系统单极大地运行或直流控制系统出现异常时,可能产生较大的直流电流注入相邻变压器。此时变压器可能产生直流偏磁。文中通过对变压器几种磁饱和特性的对比指出了直流偏磁的特殊性,结合现场波形特征分析直流偏磁及常见的偏磁抑制装置对保护设备的影响,指出现有直流偏磁保护判据存在的问题,进一步从直流偏磁出现的场景以及波形特征出发提出了对现有偏磁保护的多种改进意见。仿真及试验验证结果表明改进判据可有效提升直流偏磁保护的可靠性。     

磁控开关型故障限流器偏置电流模糊PID控制

为提高偏置电流系统的控制精度,设计了一种运用模糊PID在线修改控制器参数的新型偏置电流控制系统。该系统集PID控制及模糊控制的优点于一体,具有不需要精确的数学模型就能够快速、精确控制偏置电流的特点。试验证明,利用该控制系统对限流器偏置电流进行控制,限流器的响应速度和限流效果可以得到保证。     

两起变压器电容隔直装置缺陷问题分析

直流电流通过变压器中性点进入绕组时,将会引发变压器直流偏磁现象,从而造成变压器无功损耗及噪声增大等问题。近年来,宁夏电网在直流偏磁较严重区域的变压器安装电容隔直装置来避免上述问题的发生,但该装置在运行中出现“带病运行”的现象,为避免此类现象的再次发生,针对两起变压器电容隔直装置缺陷原因调查分析,通过现场设备检查、理论计算及实验室验证,结合装置自身的结构,查找出缺陷原因,并提出该类缺陷杜绝的措施。分析结果对提升变压器电容隔直装置安全可靠运行具有重大意义。     

AP1000核电设备鉴定试验探讨

介绍了AP1000核电厂安全级设备鉴定的基本过程和鉴定试验序列,对热老化、辐照、抗震、设计基准事故模拟等关键鉴定试验的要求和有关的技术问题进行了讨论,指出了AP1000核电设备鉴定对试验设施条件、试验方法标准、实践经验等方面的新要求和新挑战。     

新型偏磁式谐振接地与保护

在系统地研究了偏磁式谐振接地及保护系统的基础上。提出了一种全新结构的偏磁式消弧线圈，它由一个三柱铁心和五个线圈组成，铁心上有两级减小截面的部分，该部分为磁化区。通过中性点注入工频电流可测量电网电容电流，调谐消弧线圈。还提出了增量函数法接地选线判据，它包括针对永久性接地情况的零序电流增量函数法和针对暂态接地情况的零序能量增量函数法。开发出偏磁式谐振接地及保护成套装置，并进行了系统的模拟试验。一年多的现场运行实践表明：消弧设备补偿效果好、增量函数原理接地选线装置选线准确、动作可靠。