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。     

压接型IGBT器件封装退化监测方法综述

压接型IGBT器件是智能电网中大容量电力电子装备的基础核心器件,其可靠性直接关系到装备及电网的运行安全,而封装失效是其主要失效模式,封装退化监测是实现其故障诊断、状态预测及智能运维的关键.针对现有研究大多侧重于传统焊接型IGBT器件封装退化监测的问题,该文以压接型IGBT器件为研究对象,首先,介绍压接型IGBT器件封装...     

高压大功率压接型IGBT器件封装技术研究综述

高压大功率压接型IGBT器件具有功率密度大、寄生电感低、双面散热、失效短路等优点,是用于智能电网、轨道交通等高压大功率电压源换流装备的理想器件。该文对ABB、Fuji、Toshiba、Westcode等公司的压接型IGBT器件封装技术路线进行介绍和分析,并对现有商业化大功率压接型IGBT器件的特性进行对比。综合已有压接型IGBT器件封装技术的特点与试验测量结果,提出将封装关键技术分为3个部分,并简要介绍各个部分的具体关键技术及研究现状。最后,基于压接型IGBT封装技术特点,结合实际工艺要求,提出一种评估压接型IGBT器件性能的判据,为后续压接型IGBT器件的开发与设计提供参考。     

压接型IGBT器件内部压力分布

压接型IGBT器件内部各组件直接堆叠在一起,通过外部压力使得各组件间保持良好的机械与电气接触,进而引入一定比例的接触电阻和接触热阻,所以器件内部的压力分布不仅影响器件内部的电流分布和温度分布,还将严重影响器件的可靠性。基于压接型IGBT器件的有限元计算模型和特殊的应用工况,研究压接型IGBT器件内部的压力分布情况,重点探讨器件内部各组件加工误差与内部的布局方式对器件内部压力分布的影响。通过压力夹具和压力纸等进行压接型IGBT器件内部压力分布的实验,实验结果不仅验证了有限元模型和边界条件的正确性,还表明外部压力加载对器件内部压力分布的影响。     

大功率压接型IGBT器件中的机械应力研究

机械应力是影响高压大功率压接型IGBT器件电气特性、热特性以及可靠性的关键因素之一。首先,从芯片与封装结构设计的角度,介绍单芯片以及多芯片并联机械压力分布均衡特性的研究现状及其关键设计技术。其次,从封装工艺的角度,分别对比弹性压接、刚性压接等不同焊接形式对芯片机械应力分布的影响规律。最后,结合压接封装结构特点,基于一种新型芯片终端结构,提出一种新型封装技术方案,可以有效提升单芯片以及并联芯片压力的均衡特性,为高压大容量压接型IGBT器件的设计提供参考依据。     

不同结构压接型IGBT器件压力分布对比

柔性直流输电技术的不断发展对应用在柔性直流输电系统中的绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件提出了更多的要求。压接型IGBT器件因符合柔性直流输电系统等领域高电压、大电流以及高功率密度的发展需求而得到重视,易于串联的特性使其非常适用于高压应用领域。目前以WESTCODE、TOSHIBA公司为代表的凸台式封装结构和以ABB公司为代表的弹簧式封装结构的2种压接型IGBT器件已成功应用到柔性直流输电工程中。基于有限元法建立了2种压接型IGBT器件的仿真模型,分别针对器件2种不同工况（正常加压未工作和正常工作状态）对比分析了其内部的压力分布。仿真结果表明,2种结构的压接型IGBT器件在正常加压状态下压力分布均比较均匀,由于弹簧结构的存在使得弹簧式压接型IGBT器件在正常工作状态下压力分布更为均匀。最后基于仿真分析,对压接型IGBT器件的结构优化提出了可能的解决方案。     

大功率压接型IGBT器件中的机械应力研究

机械应力是影响高压大功率压接型IGBT器件电气特性、热特性以及可靠性的关键因素之一。首先,从芯片与封装结构设计的角度,介绍单芯片以及多芯片并联机械压力分布均衡特性的研究现状及其关键设计技术。其次,从封装工艺的角度,分别对比弹性压接、刚性压接等不同焊接形式对芯片机械应力分布的影响规律。最后,结合压接封装结构特点,基于一种新型芯片终端结构,提出一种新型封装技术方案,可以有效提升单芯片以及并联芯片压力的均衡特性,为高压大容量压接型IGBT器件的设计提供参考依据。     

压接型IGBT器件封装内部多物理场耦合问题研究概述

压接型绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolar transistor,IGBT)器件相对传统焊接式IGBT模块而言具有功率密度大、可靠性高、易于串联和失效短路等优点,现已逐步应用到高压直流输电等高压大功率应用场合。在压接型IGBT器件中,各组件通过外施压力堆叠在一起形成电学和热学接触,内部除温度场和电磁场外,还需考虑应力场的作用,各场通过耦合变量形成联系,构成了一个复杂、非线性的多物理场耦合问题,给建模与计算带来了巨大挑战。该文对近年来国内外压接型IGBT器件多物理场耦合问题的研究现状进行综述,建立多物理场问题的数学描述,并梳理考虑多子模组相互作用的耦合关系,提炼多物理场耦合问题中的难点,即耦合关系的建模及对比分析、多物理场耦合问题的准确描述与简化及多物理场耦合算法的改善等。文中针对这些难点,在总结现有研究成果的基础上,指出今后需要深入研究的重点问题,借鉴相关领域研究成果,给出可能的解决方案。     

压接型IGBT器件绝缘研究:问题与方法

按绝缘失效模式,将压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的绝缘问题分为漏电和放电问题。借鉴电力电子学科研究范式,提出从绝缘测试、物理分析和可靠设计3个维度进行压接型IGBT器件绝缘研究的方法。同时,分别从这3个维度对压接型IGBT器件绝缘研究现状进行分析。最后,根据绝缘测试要求和物理分析参数,给出压接型IGBT器件绝缘优值,为压接型IGBT器件绝缘可靠设计提供了量化指标。     

直流断路器用压接型IGBT器件电流分布研究

针对直流断路器用压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片电流分布的问题,基于内快恢复二极管(FRD)外IGBT的对称布局方式建立3.3 kV/3 kA压接型IGBT模块的等效电磁场模型,首先通过仿真1 kHz和1 MHz频率下芯片和铜台的电流密度,分析了IGBT器件内部的集肤效应现象和涡流分布情况,对比了芯片和铜台的电流密度分布,提出了集肤效应下芯片、铜台内部和芯片、铜台之间电流分布规律,并且指出芯片上的电流与铜台上的电流密度模分布差异巨大;其次,在施加直流断路器典型电流波形条件下,仿真得出了IGBT各芯片之间和芯片内部的电流分布。结果表明,在当前直流断路器电流波形下,IGBT芯片之间的电流分布基本均匀;芯片边沿存在电流集中现象,边沿电流密度比中心高9.56%。     

基于等效电导率的压接型IGBT器件温度场仿真

压接型封装全控器件由于其具有无焊点、无引线、双面散热的特点,逐渐在大容量换流器中得到了广泛的应用,其可靠性以及寿命预测也引起了学术界和工业界的关注。本文提出了一种基于等效电导率的压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件温度场有限元仿真方法,直接反映了压接型IGBT器件内部芯片发热功率随温度变化的特性,进一步提高了温度场仿真的准确性,为模块可靠性分析和寿命预测建立了仿真计算基础。此外,对某型号压接型IGBT器件进行MMC工况下的温度场仿真,得到了该工况下模块内部温度分布情况。     

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。     

压接型IGBT器件单芯片子模组疲劳失效的仿真

压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件因其具有双面散热、失效短路和易于串联等优点特别适合应用于柔性直流输电等大功率领域。但这种压接封装结构的器件在经历长时间的循环热应力后,各组件中的金属材料会逐渐出现疲劳失效,对器件可靠性产生不利影响。建立压接型IGBT器件的单芯片子模组有限元仿真模型,利用功率循环仿真来模拟器件所经历的循环热应力工况,并对功率循环仿真结果进行热和力的分析。同时应用组合Coffin-Mason和Basquin模型对IGBT芯片进行疲劳寿命预测。结果表明芯片与发射极钼片相接触的边缘区域承受的压力最大也最易变形,且在高应力条件下芯片的疲劳寿命只有10 000多次循环。最后结合实际失效的芯片和仿真结果提出压接型IGBT器件一种"压力失效"模式,并对其相应的失效机理进行了一些初步解释。     

压接型IGBT器件接触电阻计算及影响因素分析

压接型IGBT器件封装材料间的接触电阻大小及分布规律直接影响其电热分布特性与运行可靠性,然而现有接触电阻计算的方法大都依赖于半经验模型,未能考虑表面形貌参数影响,难以准确表征,该文提出考虑材料表面形貌参数及接触压力影响的压接型IGBT器件接触电阻模型及影响规律研究。首先,基于电接触理论,建立考虑材料电阻率、接触面接触压力、粗糙度及微硬度参数的接触电阻数学模型。其次,通过分析材料表面特性选定接触电阻模型参数,建立单芯片压接型IGBT器件有限元仿真模型计算接触压力,获取器件内部接触电阻分布规律,并通过器件导通电阻测量,间接验证所建接触电阻模型的有效性。最后,分析接触压力、芯片电阻率及表面粗糙度对压接型IGBT器件接触电阻的影响规律。结果表明,相对COMSOL软件内置模型,所建接触电阻模型可更加准确地表征器件内部接触电阻变化规律。相比其他接触面,芯片与钼片间的接触电阻最大,且当接触压力较小时,接触电阻受电阻率、粗糙度及压力的影响更明显。     

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。     

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。     

压接型IGBT器件温度与压力的一维场计算方法

在电力电子器件可靠性评估的应用背景下,该文针对压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件工作条件下的温度与压力的获取提出一种温度与压力场单向耦合的一维场计算方法。通过3个假设条件将IGBT模块支路简化为一维模型,基于传热方程与频域分析法以及力学方程,讨论提出方法的理论基础。同时,考虑实际IGBT模块的散热条件、热流量扩散及压力边缘效应的影响,对一维场算法进行了修正。最后,以六芯片IGBT模块为例,将该方法与有限元分析法的计算结果进行对比。计算结果表明,文中提出的一维场算法计算精度较高。该方法与有限元计算相比,在保证精度的情况下,显著缩短了计算时间;与一维热网络方法相比,在进行多物理场双向耦合时无需进行反复迭代计算。     

换流阀用与直流断路器用压接型IGBT器件差异分析

压接型IGBT器件以其耐受电压高、电流密度大、控制功率低、开关速度快以及双面散热等优势成为柔性直流输电系统中换流阀和直流断路器选用的理想器件。由于应用装备的差异,换流阀和直流断路器对于压接型IGBT器件分别提出了低通态压降和高短路关断能力的要求。分析了换流阀用压接型IGBT器件和直流断路器用压接型IGBT器件外部和内部电流、电压、温度和压力的差异,总结了两种器件应用过程中可能存在的主要失效原因,提出了封装设计中需要重点考虑的技术问题。     

高压大功率压接型IGBT器件的PETT振荡特性及其抑制方法

高压大功率压接型IGBT器件在关断拖尾阶段产生高频等离子体抽取渡越时间(plasma extraction transit time,PETT)振荡,对驱动电路和环境产生严重的电磁干扰,抑制PETT振荡对于研制大功率压接型IGBT器件至关重要。基于IGBT关断拖尾阶段空穴注入空间电荷区引起的空间电荷效应,分析了空间电荷区的大信号特性以及PETT振荡产生的机理。其次,搭建了压接型IGBT器件开关特性测试平台,首次研究了单芯片PETT振荡特性、驱动回路参数对PETT振荡的影响以及PETT振荡的电磁干扰特性。最后,讨论了压接型IGBT器件PETT振荡抑制措施,提出了一种可以降低封装工艺复杂度、降低芯片电气应力的方法,该方法非常适合于高压大功率的压接型IGBT器件。