压接式IGBT模块的开关特性测试与分析

随着柔性直流输电技术朝着更高电压等级、更大系统容量方向的发展,作为其中关键设备的换流阀和混合式直流断路器对大容量IGBT器件的封装特性和电气性能提出了更高要求。与焊接式IGBT相比,压接式IGBT具有功率等级更高、开关速度更快、易于串联等优点,成为柔性直流输电的优选器件。为系统掌握压接式IGBT模块的应用特性,设计了基于双脉冲测试原理的压接式IGBT模块开关特性的测试平台。基于测试结果,分析了不同压接力、负载参数和结温条件对压接式IGBT模块开关特性的影响规律;并从器件封装特性和半导体物理层面、初步探讨了压接式IGBT模块开关特性的变化机理,为其在大功率电力变换领域的推广和应用提供参考。     

压接式IGBT模块的动态特性测试平台设计及杂散参数提取

压接式IGBT模块具有散热性能好、杂散电感小、短路失效直通等特点,在柔性直流输电等大容量电力电子变换系统中具有极为重要的应用潜能。然而,目前学术界和工业界尚未很好地理解压接式IGBT模块的动态开关特性,严重制约了其推广应用。从压接式IGBT的封装结构和电气特性出发,基于双脉冲测试原理,设计并搭建压接式IGBT模块的动态开关特性测试平台。采用Ansoft Q3D软件对测试平台的杂散参数进行仿真,分析杂散参数的分布特征、影响与提取方法,并通过实验进行验证,揭示叠层母排技术与吸收电容对器件关断电压尖峰的抑制作用,低寄生电感总和验证了平台设计方案的合理性。     

大功率IGBT模块结温提取研究

为了提高大功率功率变换器的可靠性,需要对大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块进行温度监测,到目前为止,该领域对高压IGBT的研究很少。本文搭建了双脉冲实验平台,对4.5 kV、1.2 kA IGBT模块开关瞬态时的热敏感电参数进行了测量,并对每个参数是否适用在线结温提取以及预期成本进行了讨论。结果表明,大多数参数除温度外还强烈依赖于负载电流和母线电压,最合适的结温提取参数是准阈值电压和开通时集电极电流变化率,它们都可以通过IGBT的寄生电感来获取。     

基于热敏感电参数法的大容量IGBT模块动态结温在线检测研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在风力发电等大功率系统中应用广泛,其可靠性越来越受到学术界和工业界重视,鉴于结温是影响IGBT模块可靠性的重要因素,国内外学者提出了诸多基于热敏感电参数的结温提取方法,然而较少涉及大容量IGBT模块动态结温在线监测和测试的研究。设计和搭建了基于H桥拓扑的兆瓦级应用工况复现平台,可开展大功率变流系统的运行工况型式测试。以关断延迟时间为热敏感电参数,简要论述了其与器件结温和负载电流等运行工况的相关性,并通过实测构建了三维数据库。基于运行工况复现平台,研究了大容量IGBT模块在不同基波频率下的结温波动特征,并通过模块内置的负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻进行结温波动对比,验证了以关断延迟时间进行IGBT模块结温在线提取和检测具有灵敏度高、响应速度快和易于集成的优点。     

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。     

基于热敏感电参数法的IGBT模块结温检测

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)在电力系统、交通、军工、航天等诸多领域得到广泛应用,其可靠性关乎整个系统的稳定,而模块的结温是IGBT可靠性研究中至关重要的一环。但在实际工作电路中,其芯片封装在IGBT内部,要实现结温的实时检测非常困难。在此条件下,综合考虑各结温测量方法的可行性及测量的准确性后,选取饱和压降作为热敏感电参数来预测结温。利用饱和压降测试平台提取所需热敏感电参数,然后结合试验数据建立了基于误差反向传播算法的IGBT模块结温预测神经网络模型,构建热敏感电参数与结温的映射关系。避开IGBT模块的物理结构,实现了对IGBT在实际工况条件下结温的准确预测。     

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。     

压接型IGBT器件与焊接式IGBT模块热阻测试方法对比研究

压接型IGBT器件不仅封装形式不同于焊接式IGBT模块,而且工作条件也有一定的差别,这些差异可能最终导致两种器件的热阻测试方法也有差异。通过两种热阻测试方法(传统热电偶法和瞬态双界面法)对焊接式IGBT模块和压接型IGBT器件进行热阻实验对比分析,总结出适用于压接型IGBT器件的热阻测试方法。传统热电偶法由于需要通过放置热电偶测量被测器件的壳温,只适用于小紧固力作用下的焊接式IGBT模块结到壳热阻值的测量,而不适用于强外部作用力下的压接型IGBT器件结到壳热阻值的测量。瞬态双界面法由于不需要通过热电偶测量被测器件的壳温,不仅适用于焊接式IGBT模块结到壳热阻值的测量,也适用于压接型IGBT器件结到壳热阻值的测量。     

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/1 500 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。     

IGBT模块在线结温预测方法对比研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块以其驱动简单、功率等级高、功耗小、热稳定性好等优点,被广泛应用于光伏发电、航空航天、电动汽车、船舶等各类电力电子设备中。IGBT模块作为电力电子设备的核心部件,其可靠性一直都是制造商与用户重点关注的问题,而结温波动被认为是导致IGBT模块失效的主要原因。因此,如何估算或测量IGBT模块的结温是研究IGBT模块可靠性的重点。此处对常见的热敏感电参数(TSEP)进行分析,并通过IGBT模块双脉冲测试平台进行了实验对比,实验结果表明相比较于其他TSEP,关断时间对结温的灵敏度更高,线性度更好,为最佳TSEP。     

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。     

基于大电流通态压降的IGBT功率模块结温监测方法的研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)是限制新能源汽车可靠性和成本的关键因素。结温监测能够提升IGBT功率模块的功率密度,提高系统可靠性,降低成本。基于此,提出一种基于大电流通态压降的IGBT功率模块结温监测方法。首先分析通态压降与结温之间的关系,然后设计通态压降结温校准电路,并基于小电流通态压降对校准结果进行验证。最后,分别使用数学模型和神经网络模型拟合结温和通态压降的关系,对基于模型对结温进行预测。结果证明,大电流通态压降能够准确测量结温。     

柔直换流阀用压接式IGBT器件物理场建模及内部压强分析

压接式IGBT器件是柔性直流换流阀的核心,器件内部压强分布直接影响器件及系统可靠性,而内部压强又受各种材料及复合应力相互耦合作用,针对不同应力耦合效果及其对内部压强的影响,进行压接式IGBT器件物理场模型仿真以及器件内部最大压强分布趋势的研究。首先,基于3.3 kV/50 A压接式IGBT器件实际结构,建立了多物理场模型,分析了机械、机-热和机-热-电不同耦合模型下器件内部压强分布的差异,并获取了器件承受内部最大压强的薄弱环节及各种内部应力作用的耦合效果。然后,基于机-热-电耦合模型,分析了不同环境温度、外部压力、导通电流对压接式IGBT器件内部薄弱层最大压强及性能的影响。最后,建立了压接式IGBT器件功率循环平台,通过恒导通工况和功率循环实验验证了机-热-电耦合模型的有效性和薄弱层分析的合理性。研究结果表明,机-热-电耦合模型能更好地表征压接式IGBT器件多应力耦合作用效果,内部最大压强的薄弱环节为IGBT芯片与发射极钼层间,且内部最大压强随环境温度、外加压力和导通电流的增加而增加。     

基于载流子抽取模型的Trench Gate/Field-stop IGBT驱动器有源箝位功能分析

针对Trench gate/Field-stop IGBT结构特有的关断过程中集电极电流下降率不可控问题,引入了载流子抽取模型来模拟器件关断过程中的集电极电流下降阶段器件内部载流子的动态行为特性,并以此为基础分析了驱动器为适应Trench gate/Field-Stop IGBT结构这种关断特性而引入的有源箝位功能的作用机理,验证了载流子抽取模型在器件级与电路级交互作用分析中的实用性,为后续实现器件与电路的最佳匹配奠定了基础。     

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。     

高压大功率IGBT器件温度系数校准方法研究

结温的准确测量对于功率IGBT器件状态监测和可靠性评估具有重要意义,小电流下饱和压降法作为使用最广泛的结温测量方法被各类测试标准推荐使用,温度系数校准是使用该方法的第一步,也是结温测量的基础。传统的温度系数校准方法对于高压大功率IGBT器件存在适用性和准确性的问题。首先,深入讨论和对比了目前常用的2种温度系数校准系统的精度,并提出了一种基于电磁加热方式的温度系数校准系统,并对其精度进行了验证;其次,对温度系数校准曲线的非线性进行了讨论和分析,指出了全温度范围校准和多项式拟合的必要性,进一步补充了温度系数校准方法,为高压大功率IGBT器件的温度系数校准提供方法指导。     

IGBT模块失效机理及状态监测研究综述

随着电力电子系统性能要求的不断提高,绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）模块不仅要拥有高功率密度,还要具有良好的热-机械性能,以提高其可靠性。首先介绍了IGBT模块的主要失效模式,对封装中键合线和焊料层失效机理进行了详细阐述,重点介绍了IGBT模块健康状态监测,分别对结温、键合线与焊料层健康状态监测及其量化评估研究进展进行了详细分析。最后,对降低热-机械应力以提高整机可靠性设计和运行工况下在线监测研究的发展前景进行了展望。