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。     

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。     

计及运行工况的MMC换流阀可靠性建模与分析

模块化多电平换流器(MMC)换流阀作为高压直流输电系统的核心设备,其可靠性关系到整个输电系统的安全稳定运行。以典型高压直流输电MMC换流阀为例,考虑换流阀运行工况,建立基于故障树分析方法的MMC换流阀的可靠性模型,并对其薄弱环节进行分析。首先,建立融入换流阀运行工况IGBT、二极管等元件的故障率模型;其次,考虑MMC换流阀功率模块和外围控制保护系统等,运用故障树分析方法,建立MMC换流阀故障树模型,得到相应可靠性指标的表达式;最后,根据可靠性指标公式计算各元件的故障率,采用概率灵敏度和关键灵敏度指标,辨识MMC换流阀的薄弱环节。结果表明:在整流和逆变工况下,MMC换流阀和元件的故障率最大,而在纯无功工况下故障率最小; IGBT模块和电源供给是MMC换流阀的薄弱环节,MMC子模块性能对换流阀可靠性的影响最为显著。     

SiC MOSFET重复雪崩能力提升的芯片结构优化方法

SiC MOSFET的高速开关工况易诱发巨大的di/dt,从而在电路的感性负载上引发过电压,导致器件进入雪崩状态。在多次雪崩冲击后,器件易发生重复雪崩失效。针对SiC MOSFET芯片元胞结构中栅氧化层薄弱导致器件耐重复雪崩冲击能力较差的问题,进行芯片元胞结构优化研究,以增强芯片耐重复雪崩能力,提升器件可靠性。首先,研究SiC MOSFET器件重复雪崩失效机理,开展SiC MOSFET器件重复雪崩失效测试,基于失效测试结果建立SiC MOSFET重复雪崩失效可靠性评估模型;其次,针对SiC MOSFET芯片元胞结构提出了栅极底部蚀刻、P-well区扩展、JFET顶部削弱三种优化结构,并研究三种优化结构对SiC MOSFET芯片SiO₂/SiC界面处碰撞电离率和垂直电场强度的影响;最后,基于SiC MOSFET雪崩失效可靠性评估模型,对比分析了三种不同优化结构SiC MOSFET的可靠性。研究结果表明SiC MOSFET器件栅极蚀刻元胞结构具有更高的重复雪崩失效可靠性,相关研究成果为SiC MOSFET器件耐重复雪崩失效能力提升的芯片元胞设计奠定理论基础。