压接型IGBT子模组在关断过程中的电场瞬态特性分析与调控

封装绝缘问题是压接型IGBT器件研制过程中面临的关键挑战之一,解决绝缘问题的关键是准确分析器件内部复合绝缘结构在运行工况下的电场分布特性。现有研究多在静电场或恒定电场下分析其静态电场特性,忽略了其在实际工况下的电场瞬态特性。针对刚性压接型IGBT器件,考虑到直流断路器用压接型IGBT面临的单次关断的实际工况,在电准静态场条件下,该文采用瞬态边界电场约束方程,准确计算压接型IGBT子模组复合绝缘结构中的瞬态电场,获得器件内部不同介质交界面上的界面电荷密度,详细分析瞬态电场的时空分布特性。在此基础上,该文从子模组的绝缘结构和封装绝缘材料参数两方面对子模组的瞬态电场进行调控,结果表明,该文所提控制方法能显著降低绝缘薄弱环节处的电场强度。     

弹性压接型IGBT器件封装结构对芯片内部电场的影响研究EI北大核心CSCD

高压大功率电力电子器件内部电场的准确计算,是保证器件绝缘设计满足要求的基本条件。首先,在静态场下建立考虑封装绝缘结构和芯片半导体载流子输运过程的耦合电场计算模型,并利用高压芯片反向特性测量平台,测量获得3300V高压芯片的耐受电压,与文中所建立模型的计算结果相对比,结果表明,计及芯片和封装耦合后,芯片耐受电压的计算结果与测量结果之间的误差由不考虑封装时的4.96%降低为0.8%。此外,以文中所使用的3300V高压芯片终端结构为例,应用耦合电场计算模型,计算在不同电压下的弹性压接封装结构下电场的分布分布特性,计算结果表明在2000V下,计及封装和芯片耦合后,芯片内部最大电场为不考虑封装结构时的1.24倍,且最大电场由终端区中部转移到末端。随着施加电压的增加,封装绝缘结构对于芯片电场的影响逐渐增大,芯片终端区表面电场显著增加甚至超过芯片内的最大电场。最后,利用部分电容模型,给出外部封装对于芯片电场影响的机理解释,并分析半导体–绝缘体界面电荷密度以及外部封装绝缘材料的介电常数对于芯片电场的影响规律,该文的结果可为高压大功率器件绝缘设计提供参考。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

复合绝缘结构中瞬态电场计算的复频域有限元法

随着电力电子器件和装备在电力系统中的广泛使用,器件和装备自身由多种绝缘材料构成的复合绝缘结构往往承受着正极性周期方波电压。在这种非正弦周期电压激励下,复合绝缘结构中的瞬态电场分布满足电准静态场条件。由于界面电荷的弛豫现象,复合绝缘结构中的瞬态电场在经过一段过渡过程后,最终达到非正弦周期稳态。现有基于傅里叶(Fourier)变换的频域有限元法只能得到非正弦周期激励下的周期稳态解,无法获得其瞬态响应。为此,文中综合考虑复合绝缘结构中的电荷弛豫,在电准静态场条件下,基于数值拉普拉斯(Laplace)变换的直接算法,提出复频域有限元法,推导复频域边界电场约束方程。此外,还提出数值Laplace变换直接算法中衰减系数的选取公式,实现了高精度的数值Laplace变换及其反变换。数值计算结果表明,所提的复频域有限元法能有效计算非正弦周期激励下的过渡过程,同时还可以计算由初始状态引起的零输入响应。所提方法为周期激励下复合绝缘结构的瞬态电场计算提供一种新方法。     

高压大功率IGBT器件绝缘结构的电场计算研究综述

随着高压直流输电技术的发展,高压大功率绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件被广泛应用于各类高压大容量电力换流和控制装备中。然而,在高压大功率IGBT器件的研制过程以及工程应用中,器件内部局部放电现象乃至击穿现象频繁发生,给器件绝缘设计带来巨大挑战。要想实现良好器件绝缘设计,就需要获得器件内部的电场分布,因此实现器件内部电场的准确计算至关重要。文中全面回顾器件内部绝缘结构的建模和计算方法的发展历程,从封装绝缘电场计算、芯片绝缘电场计算以及芯片和封装绝缘耦合电场计算3个方面介绍相关研究的发展历程、适用范围以及相应的不足,最后展望未来器件内绝缘结构电场计算的发展方向。     

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。     

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...     

外部汇流母排对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流特性的影响

压接型IGBT器件内部芯片之间的动态均流特性直接影响着IGBT器件的坚固性与可靠性。考虑到并联均流实验的困难,现有的压接型IGBT芯片级并联均流研究通常都是通过提取器件内部封装结构的寄生参数,并结合IGBT芯片的等效电路模型,在电路仿真环境中开展的,不考虑器件外部电磁条件对器件内部电流分布的影响。然而,该文通过9枚压接型IGBT芯片的并联均流实验发现,各个通流支路之间存在显著的动态电流不均衡,而且电流的分布特性不仅与内部并联芯片的相对位置有关,还与连接器件的外部汇流母排存在明显的关联。为了揭示器件内部电流分布特性与外部汇流母排之间的耦合关系,该文对被测器件与外部汇流母排进行三维有限元建模,从频域和时域2个方面,计算IGBT器件内部的电磁场分布特性。频域计算表明,由于外部汇流母排与内部并联芯片存在磁场耦合(即电感耦合),当频率超过一定数值后,外部汇流母排会对各个通流支路的电流产生显著影响。时域计算进一步再现了并联均流实验中外部汇流母排对各个通流支路上动态电流分布的影响规律。结果表明,在压接型IGBT器件的设计和应用中,不仅需要关注器件内部芯片间的相对位置对动态均流特性的影响,同时也要关注外部汇流母排引入的电磁不对称性。最后提出一种对称化的母排设计方案,并通过三维有限元计算,证实对称化母排设计可明显改善器件内部的动态均流特性。     

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。     

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在MMC系统中的电热耦合仿真

目前已知的高压柔性直流输电工程中的电压源换流器(voltage source converter,VSC)大多采用模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC),MMC子模块中半桥子模块的应用最为广泛。高压直流输电系统的高可靠性要求半桥子模块的搭建必须采用压接型的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)。本文主要针对压接型IGBT半桥模块的MMC展开电热耦合的仿真,探索出一种基于Foster热网络的电热耦合仿真方法,从热稳定性的角度对MMC系统的安全运行域进行了刻画。     

压接型IGBT器件内部杂散电感差异对瞬态电流分布影响规律研究

压接型IGBT器件内部多颗芯片的并联连接是提高其电流等级的重要手段。然而,IGBT芯片之间的瞬态电流不均衡是限制其电流提升的主要原因之一。研究压接型IGBT器件内部的瞬态电流分布规律对于规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。该文首先通过有限元软件提取了压接型IGBT器件内部的栅极、集电极和发射极的杂散电感,得到三个杂散电感随IGBT芯片不同位置的变化规律;其次对三个杂散电感差异下的电流分布进行了理论分析,发现电流分布主要受到功率回路和驱动回路的公共支路上杂散电感的影响;同时分别对开通和关断过程中IGBT芯片内部的载流子变化过程进行分析,发现发射极杂散电感差异主要影响开通过程的电流不均衡;然后针对三个杂散电感差异分别进行电路仿真,得到杂散电感差异对电流分布的影响规律,仿真结果验证了理论分析的有效性;最后建立了两芯片的并联均流双脉冲实验平台,平台能够调节两支路之间的杂散电感差异,实验结果进一步验证了该文理论分析的有效性。     

压接型IGBT芯片动态特性实验平台设计与实现

压接型IGBT芯片在正常的运行工况下承受着电-热-力多物理量的综合作用,研究电-热-力影响下的IGBT芯片动态特性对于指导IGBT芯片建模以及规模化IGBT并联封装设计具有重要意义.为了全面获得电-热-力综合影响下压接型IGBT芯片的动态特性,该文结合双脉冲测试电路原理,研制出具备电-热-力灵活调节的压接型IGBT芯片...