压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律及失效形式研究

压接型高压IGBT是柔性直流输电用模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）中的核心器件,其在长期运行中逐渐发生热老化并最终失效,影响着MMC的运行性能。利用压接型高压IGBT的门极驱动信号演化规律监测器件状态对于是实现MMC子模块状态监测的重要手段。文中首先搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中定期测试器件门极驱动信号波形。结果表明随着老化循环次数的增加,压接型IGBT门极驱动电压上升沿米勒平台时间长度增大,门极驱动电流下降沿凹槽位置滞后。其次,对热老化失效以后的压接型IGBT芯片表面进行观测,发现芯片发射极门极氧化层附件出现裂纹,这一热老化失效形式是门极驱动信号变化的主要原因。最后,根据压接型IGBT内部多物理场耦合关系建立了有限元仿真模型,计算结果表明热应力在附加金属层与下钼层接触界面的边缘区域数值较大,在长期交变的应力疲劳后造成门极氧化层裂纹萌发,逐渐导致门极失效。文中研究结果说明了利用压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律在线监测其门极老化状态具有一定意义。     

一种柔直换流阀用压接型IGBT功率子模块加速老化试验方法

压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)内部各层材料在导通电流的同时还起到传递热量、承受压力的作用,属于热、电、力多物理场耦合系统。因此,压接型IGBT的老化机理与焊接型IGBT有所不同,需要采取新的试验方法对其开展加速老化试验,进而为老化机理的研究获取更多的分析数据。参考已有的研究方法和成果,针对柔直换流阀用压接型IGBT器件提出了一种多激励类型多特征参数监测的加速老化试验方法,设计了冲击循环、恒定高温、功率循环及温度循环4种类型的激励施加方法,设计试验拓扑并明确试验参数整定原则,全方位激发压接型IGBT的老化失效过程。为多角度监测试验过程中器件退化状态,提出了在线监测方法和周期性离散监测方法,对器件集电极电流、饱和导通压降、散热器壳温等特征参数进行监测。     

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。     

纳米银烧结压接封装IGBT的长期可靠性研究

高压大功率压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)器件是柔性直流输电系统大容量换流阀的关键部件,其可靠性直接影响电力装备和输电系统的安全稳定运行。压接结构导致IGBT器件组件界面间电热接触性能不佳,研究人员利用纳米银焊膏开发出烧结封装IGBT以期克服对应问题,但其长期可靠性尚未得到验证。该文以国产3.3k V/50A单芯片银烧结压接封装IGBT器件为研究对象,建立直流加速老化实验平台以考核银烧结封装对国产压接IGBT器件的长期可靠性影响。然后,开展国产压接封装IGBT的功率循环加速老化实验,分析烧结封装IGBT器件的失效结果并与全压力封装IGBT器件实验结果进行对比。最后,分析烧结封装IGBT纳米银焊料熔融的原因并探究IGBT器件失效瞬间导通电压急剧上升的原因,获取银烧结压接封装IGBT器件的性能优势及潜在缺陷。实验结果表明,银烧结封装可以降低压接型IGBT器件的导通电压和通态损耗,减缓IGBT芯片与发射极钼层间的接触磨损,提升器件使用寿命。     

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。     

功率模块压接型IGBT温度循环试验热负载施加方法

温度循环试验是研究功率模块压接型绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）特性的重要试验手段。为此,以柔直换流阀功率模块压接型IGBT为研究对象,结合理论计算与有限元仿真分析,提出了温度循环试验热负载施加方法,并获得相应的电输入目标参数。搭建了温度循环试验平台,对器件温度进行实时监测,综合对比分析功率模块受试IGBT器件的结温、壳温、散热器测温点温度数据。通过仿真结果验证了所提方法的有效性,可为同类型压接IGBT试验提供研究思路。     

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。     

基于电压电流特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗在线计算方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)中绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor, IGBT)多运行于高压条件,需采用大量程传感器对集射极电压进行测量,但会产生较大测量误差,制约了通态损耗的准确计算。因此,针对MMC子模块中IGBT提出了一种基于电压电流特性曲线的通态损耗在线计算方法。首先,基于IGBT及二极管特性曲线参数实现了通态压降、集电极电流及结温之间关系模型的二维及三维拟合。其次,对单位电流周期内器件投切模式进行分析,实现通态损耗表达。此外,基于电热比拟相关理论,构建IGBT等效热网络模型。然后,综合考虑器件电流、导通信号及壳温等信息对结温进行反馈修正,进一步形成了IGBT通态损耗在线计算方法。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。     

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。     

回跳现象对RC-IGBT器件功率循环测试的影响EI北大核心CSCD

逆导型绝缘栅双极型晶体管(reverse conducting insulated gate bipolar transistor,RC-IGBT)是一种新型IGBT器件,其在IGBT芯片结构中集成了一个快恢复二极管,具有成本低、封装工艺简单、功率密度高、抗浪涌电流能力高等特点,因而备受工业界关注,对其可靠性的要求也越来越高。但是,由于RC-IGBT器件特殊的芯片结构,使得其输出特性曲线上具有回跳现象。而回跳现象是否会对RC-IGBT可靠性的考察产生影响还有待研究。因此文中首先深入分析回跳现象产生的机理,并结合考察器件可靠性最重要的实验——功率循环实验的原理阐述,分析得到回跳现象可能会对功率循环中结温测量、并联分流和功率循环寿命及失效形式3个方面产生影响,并通过设计实验进行论证。实验结果表明,回跳现象会对VCE(T)法进行结温测量产生影响,而对VF(T)法进行结温测量没有影响;通过并联分流实验发现,具有较小回跳电压的器件会在电流流过器件瞬间分得更多的电流,但是其影响时间较短;通过不同导通模式下的功率循环实验对比分析可知,回跳现象对分立器件的功率循环寿命及失效方式没有影响。     

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。     

多芯片并联压接式IGBT中温度不均对电流分布的影响

多芯片并联的压接式IGBT器件是柔性直流输电设备中的关键部件,因制造工艺、回路寄生参数和热耦合问题使得器件内部应力分布不均,造成器件不均匀老化,使得内部温度不均程度加剧,进而使得电流分配不均。围绕不同温度差异下导致的电流分布不均问题展开研究。首先,对造成IGBT器件并联不均流的原因以及温度对不均流特性的作用进行分析。然后,利用单芯片压接式IGBT器件并联模拟多芯片器件内部的温度分布不均情况,进行温度分布不均匀程度对电流分配影响的实验。最后,通过实验验证并联器件间温度差异与不均流程度的关系。所提方法为提高器件的运行可靠性和对压接式IGBT失效机理认知奠定基础。     

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。     

多芯片并联压接式IGBT中温度不均对电流分布的影响

多芯片并联的压接式IGBT器件是柔性直流输电设备中的关键部件,因制造工艺、回路寄生参数和热耦合问题使得器件内部应力分布不均,造成器件不均匀老化,使得内部温度不均程度加剧,进而使得电流分配不均。围绕不同温度差异下导致的电流分布不均问题展开研究。首先,对造成IGBT器件并联不均流的原因以及温度对不均流特性的作用进行分析。然后,利用单芯片压接式IGBT器件并联模拟多芯片器件内部的温度分布不均情况,进行温度分布不均匀程度对电流分配影响的实验。最后,通过实验验证并联器件间温度差异与不均流程度的关系。所提方法为提高器件的运行可靠性和对压接式IGBT失效机理认知奠定基础。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

基于电热模型的IGBT结温预测与失效分析

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)工作过程中结温难以测量的问题,提出一种基于IGBT电热模型的结温预测方法,并对由结温过高引起的失效进行实验分析.根据IGBT结构特点建立通态压降模型,考虑到器件内部参数和半导体物理常数与温度的关系,建立IGBT导通功耗与结温关系的电热模型.通过联立IGBT结-壳传热方程和电热模型进行热平衡分析,从而得到稳态时的结温.实验结果表明,通过仿真得到的结温基本与实际测量得到的结温值相吻合,结温过大会导致电极根部焊料熔化和表面连接键丝断裂.所提方法通过监测壳温可实时预测IGBT结温,具有方便快捷的优点.     

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。     

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。     

MMC阀子模块IGBT损耗与结温计算

模块化多电平整流器(modular multilevel converter,MMC)子模块具有承受高电压、大电流等特点,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)又是子模块的关键器件,而IGBT的损耗和结温计算方法决定IGBT的热设计和选型,是影响其在MMC工程应用的关键因素。文中首先对MMC稳态运行时子模块承受的应力进行了分析,其次,结合通态电流、子模块的投切和结温估算模型,设计了一种IGBT损耗和结温的计算方法,最后在搭建的试验系统中进行验证,结果证明了所给出的计算方法有效可行。