封装寄生参数对并联IGBT芯片瞬态电流分布的影响规律

大功率IGBT器件通过并联多个IGBT芯片来获得大电流等级,并联芯片动静态电流分布的一致性对于提高器件电流等级以及可靠性至关重要。首先介绍了大功率IGBT模块内部布局不一致导致的封装寄生参数差异性。其次,结合IGBT等效电路模型及其开关特性,分析了寄生参数差异性对于并联IGBT芯片瞬态电流分布特性的影响规律。最后,建立了并联IGBT芯片的等效电路模型,并应用Synopsys Saber软件建立了仿真电路,从封装寄生电感参数差异性、封装寄生电阻参数差异性,分析了参数差异对并联芯片的瞬态电流分布特性的影响。     

计及芯片导通压降温变效应的功率模块三维温度场解析建模方法

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块在新能源汽车动力总成系统中应用广泛.高功率密度和极限工况运行的应用需求对IGBT模块的热可靠性设计提出严峻挑战.受芯片导通压降温变效应的影响,芯片表面电流密度呈现不均匀分布,导致传统的热建模方法无法准确地描述功率模块温度场分布,这给芯片过电流工况下的强健性评估带来困难.该文将功率模块连续域三维温度场模型与芯片有源区离散化一维电学模型进行联合,提出一种热-电场路耦合的功率模块三维温度场解析建模方法,实现片上温度场的准确描述,误差小于4.0％.进一步地,研究芯片的电流分布规律,发现正温度特性下电流集中在IGBT有源区边缘,这种非均匀分布特征对片上温度峰值有抑制作用,能有效提升功率模块的过电流能力.最后以型号SEMiX603GB12E4p模块为例,针对提出的解析建模方法进行了验证,仿真与实验结果均表明,该模型能够准确表征不同电流水平下IGBT模块的热特性,验证了该模型算法的准确性和有效性.     

基于场路耦合的大功率IGBT多速率电热联合仿真方法

IGBT模块在以短路为代表的非周期过载极端工况中,其自热效应明显。由于高压、大电流等外载荷的冲击,IGBT的温度会在短时内迅速升高,进而影响IGBT芯片的半导体特性以及封装结构的材料特性,并最终直观表现为模块端口电气特性的变化。此时,需要同时关注IGBT的电气特性与温度分布特性,而电问题与热问题在时间尺度上的差异为电热耦合仿真带来了不便。基于此,该文提出一种基于场路耦合的电热联合仿真方法。首先阐述IGBT场路耦合联合仿真的基本原理;然后分别在Simulink与COMSOL中构建基于IGBT物理模型的电路模型以及基于有限元的热模型,通过Matlab控制脚本实现了多速率仿真策略下的电热联合仿真;最后以ABB3.3kV/1 500A大功率IGBT模块为例,通过开关暂态测试和短路测试对所提出的仿真方法进行了验证。     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

一种符合欧姆定律的IGBT等效电阻模型

有限元仿真普遍通过求解电流守恒方程来实现对电流场的计算,计算方法上符合欧姆定律,即电流与电压呈正比关系。IGBT的电气特性本质上区别于纯导体,芯片的电导率也不等同于芯片材料的电导率,因此无法直接应用于有限元仿真。针对这一问题,该文首先通过最小二乘法对IGBT的V-I特性曲线进行了分段线性化处理,并通过函数转换构建了一种在计算方法上符合欧姆定律的IGBT等效电阻模型。然后进一步将IGBT芯片的等效电阻转换为等效电导率,构建了基于有限元的IGBT电热耦合模型。最后通过短时变电流的单脉冲测试对所建立的模型进行了验证。实验结果表明:所提出的建模方法可以在满足欧姆定律基本算法的基础上,对电流连续变化工况下的IGBT电热特性进行准确表征。     

温度对3种IGBT结构通态特性的影响

从温度对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)通态特性影响出发,建立了3种1200 V穿通型-IGBT(PT-IGBT),非穿通型-IGBT(NPT-IGBT)和场阻止-IGBT(FS-IGBT)结构模型,分析了通态模型中通态电流和压降的组成成分,仿真了3种IGBT结构的通态温度特性,分析了温度对3种IGBT结构通态特性的影响,得出了PT-IGBT的通态压降具有负温度系数,NPT-IGBT和FS-IGBT的通态压降在不同电流下的两种温度系数及温度对FS-IGBT的通态压降影响最小等结论。     

IGBT开关瞬态的温度特性与电热仿真模型

由于半导体的材料特性随温度的变化发生改变,采用硅材料制造的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作特性受温度的影响也十分显著,开关瞬态过程将随温度发生较大变化。针对不同温度下的开关过程开展了测试实验,发现IGBT的开通与关断瞬态具有不同的温度特性,根据实验现象对IGBT的开关过程进行了分析,得出IGBT开关瞬态的温度特性主要是受载流子寿命影响的结论。对IGBT电热模型的基本原理以及现有模型方法进行了分析,根据实验中得出的结论,提出了一种改进的IGBT电热模型。基于该模型对IGBT关断时的电流拖尾过程以及整个开关瞬态过程开展了电热仿真分析,通过仿真波形与实测波形的比较,验证了实验中得出的结论以及该模型的准确性。     

考虑寄生振荡的IGBT分段暂态模型对电磁干扰预测的影响分析

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关过程的di/dt和du/dt是影响换流器电磁干扰(EMI)水平的主要因素.IGBT的寄生振荡是高频EMI的重要组成部分,振荡频点处会出现EMI峰值.该文提出一种考虑寄生振荡的IGBT分段暂态模型,分析回路寄生参数和器件非线性电容对开关特性的影响,分别计算不同阶段的电流和电压变化率.搭建二极管钳位感性负载测试平台,获取IGBT的电流和电压波形,分析对比分段模型和实际波形的频谱特性.最后,通过实验验证了模型中的振荡过程是影响电流频谱特性的关键,且采用器件电容Cgc的三段等效模型可以显著提高电压频谱预测的准确度.该文提出的模型提高了IGBT干扰源频谱的预测准确度,可用于评估实际换流器发射的EMI水平.     

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。     

考虑热学特性的高压IGBT模块暂态模型

为准确描述高压柔性直流输电技术中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块中IGBT与二极管的开关暂态、热学特性及其关系,提出了一种考虑热学特性的高压IGBT模块暂态模型。该模型包括IGBT模块暂态模型和热学特性模块,采用机理推导、电气等效等方法,无需提取器件底层参数和求解复杂半导体方程,大大减少了计算量。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建模型测试电路与SABER通用模型,与实验测量结果进行对比分析,以验证模型有效性。结果表明,所提出的模型不仅可以实现电路仿真中IGBT模块的各种运行状态,还可以在小步长下模拟其电压电流尖峰、拖尾电流、Miller平台、二极管反向恢复等开关暂态特性,并考虑了温度损耗等对器件参数的影响。因此,该模型可用于柔性直流输电系统仿真、电磁干扰和损耗分析及控制策略等方面的研究。     

1200-V Low-Loss IGBT Module With Low Noise Characteristics and High dIC/dt Controllability

This paper presents the enhanced characteristics of a newly developed low-loss and low-noise 1200-V insulated gate bipolar transistor (IGBT) module. In order to realize low-noise emission, it is necessary not only to improve the reverse recovery characteristics of the free wheeling diode (FWD) but also to reduce the low-current turn-on dI_C/dt of the IGBT. The new IGBTs with high turn-on dI_C /dt controllability and low turn-on power dissipation have been successfully developed by the reduction of Miller capacitance resulting from an optimization of the surface. The 1200-V 450-A IGBT module utilizing the new IGBT and optimized FWD chips has been able to realize 30% reduction of the switching power dissipation when compared to the conventional IGBT module under the operating condition to set the same noise emission level     

基于实时结温观测的电动汽车逆变器动态限流策略

针对电动汽车逆变器中功率模块因实时结温过高而造成器件乃至系统失效的问题,提出了基于实时结温观测反馈的逆变器动态电流限幅控制策略。建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电热模型,在线观测功率模块中所有IGBT芯片和续流二极管(FWD)芯片的瞬时最大结温;将该热状态以及器件的最大可用热容量输入电流限幅控制器得到逆变器的最大运行电流值,实现逆变器的电流动态限幅控制。测试结果表明,所提控制策略使逆变器安全地工作在最大可用结温范围内,可使逆变器的运行性能极限最大化,提高系统的功率密度和可靠性。     

基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷监测研究

为了准确地评估出IGBT模块的健康水平,及时发现并更换存在缺陷的IGBT模块,提高功率变流器的可靠性,提出了一种基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法。通过监测IGBT模块内部单个芯片等效键合线压降的变化,辨识出IGBT模块内键合线的老化状态,进而判断出IGBT模块的健康水平。实验结果表明,基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法能准确地辨识出模块内键合线的老化过程,与采用监测门极信号辨识模块老化状态的方法相比,所提方法不仅能辨识出单个芯片全部键合线脱落的情况,而且能辨识出部分键合线老化的情况,在辨识精度上有了很大的提高。该方法为确定合适的时机对变流器进行维护、降低系统的维护成本提供了理论依据。     

高压IGBT在di/dt缓冲电路中的短路特性

di/dt缓冲电路中较高的开通电感使IGBT短路特性在两种短路模式下有明显的不同,由于短路开通时集电极-发射极电压的急剧减小,IGBT短路模式一中的特性变得格外重要,而且还引起VCE变陡峭的去饱和过程。本文描述了该失效模式中IGBT特性,并给出了快速检测这种失效的两种备选方案。利用大面积高压压封IGBT模块及单IGBT芯片进行验证测试。     

1 200 V/75 A IGBT与FRD芯片在功率模块中的性能优化

介绍绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistors,IGBT)与快恢复二极管(fast recovery diode,FRD)匹配技术的特点和优势、应用前景及发展趋势。为更好地研究IGBT和FRD芯片在功率模块内的使用状况,结合国网智能电网研究院自主开发的1 200 V/75 A的IGBT和FRD芯片,得到相关的特性参数。将它们封装成功率模块,提出优化IGBT与FRD在功率模块中性能匹配优化的几种方法。     

IGBT动态串并联驱动信号补偿的研究

为解决多个IGBT的串并联问题以实现单管IGBT在高电压、大电流场合的应用,在研究了各种IGBT串并联的直接主动控制和间接被动控制方法后分析了IGBT串并联发生动态不均压均流的原因,明确了驱动信号的同时工作是可靠地实现控制方法的关键。结合工程实际的应用,采用一个高频脉冲变压器KCB-02A1来补偿IG-BT门极驱动信号,由电路基本理论推导出该脉冲变压器的参数选取原则;然后运用计算机辅助设计软件PSPICE仿真验证了该方法在IGBT串联动态均压中的有效性;最后通过搭建实验电路验证了该方法能实现并联动态均流的驱动信号补偿,从而能整体实现IGBT串并联的动态实用性,给工程实用中的IGBT动态串并联运行提供了一种可行的方法。     

大功率H桥逆变器损耗的精确计算方法及其应用

大功率H桥逆变器中广泛采用IGBT作为开关器件,传统的IGBT开关损耗计算是基于供应商提供的开关能量曲线,而该曲线上所提供的开关能量与逆变器实际运行时的数据有较大出入。为此,提出了一套完整的大功率H桥逆变器的损耗分析与精确计算方法。逆变器损耗主要包括IGBT损耗和电解电容损耗,而IGBT损耗又包括导通损耗、开通损耗、关断损耗和反向恢复损耗。给出了各类损耗的定量计算方法,并且采用了双脉冲测试方法获得实际开关能量曲线,因此计算结果更加精确。搭建了一台3.45kVA的实验样机,1kHz开关频率下满载运行时,计算损耗为218W,实测损耗为210W。实验结果验证了所提出的分析与计算方法的准确性。     

门极电压控制IGBT并联时静态均流可行性研究

IGBT并联时需要解决静态均流问题.通过对IGBT输出特性曲线的分析和对IGBT单管及模块的并联实验,阐明了通过控制门极电压来调节IGBT并联时静态均流的机制,进而分析了该机制的可行性.     

基于IGBT门驱动减小PWM逆变器死区影响的策略

提出了一种新颖的IGBT门驱动方法,对于PWM电压源型逆变器,其容易在IGBT的门驱动器中实现.用这种方法,逆变器同一相的上、下IGBT可以接收理想的没有死区的PWM信号,并且不会引起直通问题.描述了所提出IGBT门驱动方法的原理,并且仿真结果证明了该方法的正确性.