基于IGBT芯片疲劳机理的关断时间可靠性模型

基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片疲劳机理,提出采用关断时间对IGBT健康状态进行监控的可靠性评估方法。采用理论分析与解析描述相结合的方法,建立了IGBT关断电流下降时间模型,进而通过研究IGBT关断时间特征量疲劳机理,建立了IGBT关断时间可靠性评估模型。仿真和实验验证了该模型的正确性与准确性。通过该模型可对IGBT的健康状况进行准确评估。     

变频器的内部控制电路（四） IGBT的驱动电路

IGBT的主要技术参数1.主要技术参数（1）击穿电压UCEX是IGBT在截止状态下集电极与发射极之间能够承受的最大电压,如图1a所示。（2）漏电流ICEOIGBT在截止状态下的集电极电流,如图1a所示。（3）集电极额定电流ICM是IGBT在饱和导通状态下,允许持续通过的最大电流,如图1b所示。     

基于特定集电极电流下饱和压降的IGBT模块老化失效状态监测方法

为提高功率变流器的可靠性,提出一种基于特定条件下集射极饱和压降V_(CE(on))的IGBT模块老化失效状态监测方法。特定集电极电流条件指的是不同温度下的多条IC-VCE输出特性曲线的交点对应的集电极电流,监测对应的V_(CE(on)),根据V_(CE(on))的变化可以对IGBT模块的健康状态进行评估。该方法可以忽略芯片结温对评估结果的影响。首先根据IGBT模块饱和压降的等效模型,结合IGBT模块输出特性曲线的特点,分析得出曲线交点处对应的V_(CE(on))不受温度影响,然后阐明IGBT模块老化对V_(CE(on))的影响关系。最后分别采用对IGBT模块进行加速老化实验验证方法和人为逐根剪断键合线模拟老化情况的验证方法,对不同工况下IGBT模块的V_(CE(on))进行测量和分析。实验结果表明,在特定条件下,IGBT模块的V_(CE(on))不受芯片结温的影响,只与模块老化程度有关,可作为IGBT模块老化状态监测的特征参数,实验结果与理论分析一致。     

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。     

基于漏电流多频率特征的变频电机主绝缘状态在线监测方法

定子主绝缘失效将导致变频电机发生严重短路故障，极大降低电机运行可靠性，甚至威胁人身安全。为了保障变频电机系统安全可靠运行，需要对变频电机主绝缘状态进行实时监测和故障预警。首先，通过变频电机定子主绝缘退化等效电路获得漏电流频域数学模型。然后，研究了变频电机电压及漏电流频率特征分布规律，分析了绝缘阻抗及退化位置变化对漏电流基波频率倍频、开关频率倍频及二者所构成边带频率特征的影响。进而提出一种基于漏电流多频率特征的变频电机主绝缘状态在线监测方法，不仅可以评估主绝缘退化程度，而且可以精准识别主绝缘退化位置。该方法在变频电机多种运行工况下进行了验证，实验测试与仿真结果一致，验证了所提出主绝缘在线监测方法的有效性和准确性。     

多数据驱动人工神经网络的 IGBT 结温在线估计方法

传统结温估计方法因其无法根据 IGBT 模块健康状态实时调校,从而导致当模块发生封装退化后无法准确估计结温。 因此,为解决在实际工况中模块封装退化造成的结温估计误差问题,建立了一个基于多数据驱动的以人工神经网络为主体的 IGBT 结温在线估计模型。 首先,确定饱和压降作为温敏电参数并研究其构成,分析其与集电极电流,芯片结温和封装退化之间 的耦合关系。 随后,为解决封装退化造成的饱和压降温度特性变化问题,提出结合米勒电压温度特性的优势,配合饱和压降与 集电极电流驱动人工神经网络算法构建结温估计模型,并通过搭建实验平台提取数据,完成模型的训练。 最终,通过与传统结 温估计方法对比估计误差,新模型将结温估计误差从 20%降低到了 5%以下。     

一种柔直换流阀用压接型IGBT功率子模块加速老化试验方法

压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)内部各层材料在导通电流的同时还起到传递热量、承受压力的作用,属于热、电、力多物理场耦合系统。因此,压接型IGBT的老化机理与焊接型IGBT有所不同,需要采取新的试验方法对其开展加速老化试验,进而为老化机理的研究获取更多的分析数据。参考已有的研究方法和成果,针对柔直换流阀用压接型IGBT器件提出了一种多激励类型多特征参数监测的加速老化试验方法,设计了冲击循环、恒定高温、功率循环及温度循环4种类型的激励施加方法,设计试验拓扑并明确试验参数整定原则,全方位激发压接型IGBT的老化失效过程。为多角度监测试验过程中器件退化状态,提出了在线监测方法和周期性离散监测方法,对器件集电极电流、饱和导通压降、散热器壳温等特征参数进行监测。     

IGBT全桥穿通特性及退化分析

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在桥式电路中的穿通现象会使得同一桥臂的两个IGBT同时导通,发生短路烧毁。利用Simulink软件对IGBT电路进行仿真分析,通过实验电路对IGBT实际工作进行测试及比较,探讨了母线电压、栅极电阻、栅-射极间并联电容对IGBT感应栅压的影响;并对桥式结构中IGBT各电参数的退化情况进行详细地分析,可得:母线电压对感应栅压的大小基本无影响;栅极电阻与感应栅压呈正相关;栅-射极间并联电容越大,感应栅压越小;集电极漏电流和通态电阻退化明显。并根据分析讨论结果,给出优化方案,对提高桥式结构中IGBT的可靠性有着重要意义。     

基于IGBT栅极疲劳机理的阈值电压可靠性模型研究

基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)栅极疲劳机理,提出采用阈值电压对IGBT健康状态进行监控的可靠性评估方法。该方法通过研究阈值电压随疲劳程度的变化规律。建立了IGBT阈值电压可靠性评估模型。仿真和实验验证了该模型的正确性与准确性。通过该模型可以对IGBT的健康状况进行准确评估。     

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。     

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。     

基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷监测研究

为了准确地评估出IGBT模块的健康水平,及时发现并更换存在缺陷的IGBT模块,提高功率变流器的可靠性,提出了一种基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法。通过监测IGBT模块内部单个芯片等效键合线压降的变化,辨识出IGBT模块内键合线的老化状态,进而判断出IGBT模块的健康水平。实验结果表明,基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法能准确地辨识出模块内键合线的老化过程,与采用监测门极信号辨识模块老化状态的方法相比,所提方法不仅能辨识出单个芯片全部键合线脱落的情况,而且能辨识出部分键合线老化的情况,在辨识精度上有了很大的提高。该方法为确定合适的时机对变流器进行维护、降低系统的维护成本提供了理论依据。     

IGBT集电极漏电流特性及影响分析

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)集电极漏电流是评价其性能的一个重要电气参数,反映的是正向阻断特性,与阻断电压和温度相关.基于IGBT结构和PN结反向电流原理,分析了IGBT集电极漏电流的组成特性,在低温阶段以阻断电压引起的产生电流为主,在高温阶段以温度引起的扩散电流为主,低温至高温的转变温度约为125℃,并从热平衡角度分...     

模块化多电平换流器IGBT模块失效机理和状态监测研究综述

全控型绝缘栅双极晶体管(insulated gated bipolar transistor, IGBT)模块作为模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的核心功率器件,其失效机理研究和状态监测技术对保证MMC的运行可靠性具有重要意义。IGBT模块劣化引起的运行参数失真和内部结构异常将严重影响MMC的工作性能。目前IGBT模块状态监测综述较多,但缺乏对MMC中IGBT模块状态监测的相关总结。首先分析了MMC的结构特性与工作原理。然后根据焊接式和压接式两种类型IGBT的失效机理,总结了IGBT模块的状态监测技术,并补充了MMC子模块中IGBT模块的状态监测方法并进行分析。最后针对目前研究中存在的不足,结合当下的研究现状,展望了未来柔性直流输电系统中IGBT模块状态监测与评估的研究方向。     

Development of a low‐noise IGBT module

High‐frequency leakage current that may cause serious conducted EMI problems flows through an inverter system. The paths of the leakage current are stray capacitances that are formed inside of motors, cables, and IGBT modules. This paper proposes a new IGBT module that realizes low conducted emission noise by flipping the IGBT chip of the lower‐voltage side to decrease its stray capacitance. The leakage current flowing through the low‐noise IGBT module becomes small, since the stray capacitance is a main path of the current. Through an experiment, it is clarified that the conducted emission level is reduced by 13 dB at a maximum when the low‐noise IGBT module is applied to a resonant‐type inverter. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 171(4): 45–52, 2010; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20971     

4 500 V沟槽栅IGBT芯片的设计与研制

为提升IGBT单芯片的电流密度,掌握高压沟槽栅IGBT技术,进行4500 V沟槽栅IGBT芯片的研制。使用TCAD仿真软件,对4500 V沟槽栅IGBT的衬底材料、载流子储存层设计、沟槽宽度、沟槽深度、假栅结构等方面进行研究和仿真分析,明确各方面设计与芯片性能的关系。根据总体设计目标,确定相应的芯片结构和工艺参数,并对4500 V沟槽栅IGBT芯片进行流片验证。验证结果显示：4500 V沟槽栅IGBT芯片的测试结果符合设计预期,芯片的额定电流、导通压降、开通损耗和关断损耗等关键参数相比平面栅IGBT芯片有明显优化。     

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。     

4 500 V沟槽栅IGBT芯片的设计与研制

为提升IGBT单芯片的电流密度,掌握高压沟槽栅IGBT技术,进行4500 V沟槽栅IGBT芯片的研制。使用TCAD仿真软件,对4500 V沟槽栅IGBT的衬底材料、载流子储存层设计、沟槽宽度、沟槽深度、假栅结构等方面进行研究和仿真分析,明确各方面设计与芯片性能的关系。根据总体设计目标,确定相应的芯片结构和工艺参数,并对4500 V沟槽栅IGBT芯片进行流片验证。验证结果显示：4500 V沟槽栅IGBT芯片的测试结果符合设计预期,芯片的额定电流、导通压降、开通损耗和关断损耗等关键参数相比平面栅IGBT芯片有明显优化。     

采用无线通信技术的避雷器检测器

提出的避雷器在线检测方案能自动测量泄漏电流、记录雷击时间和累计雷击次数。避雷器检测器以微处理器（MPU）为核心,由太阳能电池和唤醒、泄漏电流采集、雷击计数脉冲、无线收／发控制、LCD显示等电路组成。避雷器在线检测系统由避雷器检测器、集中器（每个电力变电站使用1台,1台集中器可用短距离无线通信方式与64台检测器通信）、网络检测系统3部分组成。避雷器在线检测系统现场投运1年来,运行良好。