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...     

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。     

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器件多物理量测试方法综述

压接型IGBT器件目前已广泛应用于智能电网的各类高压大容量电力换流和控制装备中,与焊接式IGBT模块相比,具有功率密度大、双面散热、失效短路、易于串联等优点。器件中芯片压力、结温、电流3个关键物理量相互耦合并直接表征器件的运行工况,因此对压接型IGBT器件多物理量测试方法的研究有利于解决器件内部多物理场耦合问题,指导设计更有效的器件封装结构,保障器件的可靠运行。压接型IGBT器件内部芯片排列紧密,且密闭在由集电极和发射极极板压接形成的内部空间中,这给器件内部多物理量测试带来了挑战。该文紧密围绕压接型IGBT器件中上述3个关键物理量及其分布性的测试,系统综述小尺度下压力量、温度量、电流量各种测试方法的最新进展,梳理其主要特点,对比其优缺点并探讨其在压接型IGBT器件中的局限性与适用性,在此基础上展望压接型IGBT器件多物理量测试的研究方向。     

压接型IGBT器件封装结构中PEEK框架的绝缘特性分析

为了改善压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件子模组中聚醚醚酮(PEEK)框架的绝缘性能,探讨了PEEK电导率表征模型和测量方法,分析了电导率经验模型中引起电导率改变的主要因素及其对PEEK框架绝缘性能的影响。结果表明:温度为影响电导率变化的主要因素,但不同温度条件下的电场仿真计算表明,PEEK框架温度不影响IGBT器件中子模组的电场分布和绝缘性能。通过仿真计算发现,增大PEEK框架与芯片间气隙距离可以显著提高压接型IGBT器件的绝缘性能。     

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。     

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。     

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%。     

高压大功率弹性压接型IGBT器件封装绝缘结构中的电场瞬态特性

压接型绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是支撑柔性直流装备研制的核心器件,弹性压接型IGBT能更好地实现器件中各并联芯片的压力均衡,在电网应用场景中前景广阔。然而,器件内部的绝缘问题是高压器件研制过程中面临的主要挑战之一,因此,有必要在实际工况下分析器件绝缘结构中的瞬态电场分布,以指导绝缘设计。该文针对弹性压接型IGBT器件内部的复合绝缘结构,采用时域边界电场约束方程法,分别计算了单次关断工况和重复性导通关断工况下弹性压接型IGBT器件子模组封装绝缘结构中的瞬态电场分布。结果表明两种工况下,封装绝缘结构中最大电场强度均出现在芯片/聚酰亚胺（PI）钝化层界面上,且由于介质分界面两侧的绝缘材料介电常数和电导率参数不匹配,分界面上将会积累电荷。界面电荷密度随着时间逐渐增大,并影响电场分布,使得子模组中最大电场强度的模值和位置随时间发生变化。同时,单次关断工况下,最大电场强度的模值会更大。此外,该文提出通过改变器件中使用的绝缘材料,提高界面处的材料参数匹配程度,可以实现对子模组内电场分布的改善。该文所提方法能显著降低器件内部最大电场强度的模值,可为弹性压接型IGBT器件的封装绝缘结构设计和优化提供...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

压接型IGBT功率模块加速老化试验方法

针对目前对压接型绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor ,IGBT）可靠性评估测试工作的不足,从器件应用角度提出了可用于柔直功率模块的老化循环试验方法。结合不同试验工况下的理想试验波形及热阻模型得到了适用于不同试验的结温波动公式。通过实验验测得到了压接型IGBT在老化试验下的结温波动波形,对所提方法进行了验证。     

压接型IGBT功率模块加速老化试验方法

针对目前对压接型绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor ,IGBT）可靠性评估测试工作的不足,从器件应用角度提出了可用于柔直功率模块的老化循环试验方法。结合不同试验工况下的理想试验波形及热阻模型得到了适用于不同试验的结温波动公式。通过实验验测得到了压接型IGBT在老化试验下的结温波动波形,对所提方法进行了验证。     

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...