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。     

关断电流对高压IGBT等离子体抽取渡越时间振荡的影响

等离子体抽取渡越时间(plasma extraction transit time,PETT)振荡是一类发生在高压双极型器件中的自激振荡现象,在功率半导体器件的状态监测中具有重要的应用潜力。为了寻找与关断电流明显耦合的振荡特征参数并分析其物理机制,搭建了高压压接型IGBT芯片的PETT振荡特性实验平台,开展了两枚IGBT芯片的PETT振荡特性实验;定义了一系列典型的振荡特征参数,分析了关断电流对振荡特征参数的影响;提出了一种新的PETT振荡的等效电路与一种直观的图解分析方法。结果表明:振荡起始时间、振荡峰值时间和振荡终止时间与关断电流之间存在明显的单调耦合关系,且基本保持0.1μs/A的增长速率。图解分析方法可以有效解释实验规律,并推导出振荡起止时间与关断电流的对数之间呈一次函数关系,该推论得到实验结果的证实。     

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。     

IGBT小电流开通失效研究及结构改进

对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在小电流开关测试失效进行了分析研究,对IGBT栅极和集电极的电压电流波形监测发现,IGBT在小电流开通时电压电流波形存在严重的振荡问题,电压幅值超过器件最大额定值,导致器件失效。分析了IGBT芯片电容和栅极电阻对小电流开通振荡的影响,通过对IGBT芯片结构进行改进,将小电流振荡抑制在安全值范围内,解决了IGBT小电流开通失效问题,改进后的IGBT器件性能参数和应用测试温升接近国外竞品。     

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.     

计及杂散电感的多芯片IGBT模块损耗计算

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块封装杂散参数影响内部多芯片并联电流和损耗分布的问题,提出计及杂散电感影响的IGBT模块内部开关损耗计算方法。首先,基于功率模块内部封装结构建立了计及封装杂散电感影响的IGBT等效电路模型,理论推导和分析封装杂散电感对IGBT动态特性的影响。其次,基于开通折线模型中并联芯片间电流变化率与损耗分布对应关系,理论推导了杂散电感分布参数与各支路开通损耗所占比例之间的函数关系,提出计及杂散电感影响的IGBT模块内部开关损耗计算方法。最后,仿真并实验验证了开通过程中IGBT模块内部电流分布规律,测得在不同负载条件下IGBT模块下桥臂各支路损耗并与理论计算结果进行了比较,验证了所提损耗计算方法的有效性。结果表明,IGBT模块下桥臂各并联芯片开通过程中存在明显不均流现象,导致损耗分布存在差异。     

高频正弦波电流下IGBT能带结构和开关特性分析

基于能带理论--载流子浓度分布与电极距离函数的宏观体现,该文提出了一种IGBT在高频正弦波电流及零电流开关条件下开关动态特性的分析方法。首先介绍了功率器件在实际电路中的工作条件,其次提出了IGBT的能带结构图,并通过对独立元件、稳态及暂态时的能带图的分析比较,得出开关动态特性,并给出开关时刻的电压电流初值及能带图;实验结果也验证了IGBT在高频正弦波电流下零电流开关的开关特性;根据这个特性,文章采用随谐振电流大小微调开关频率的方法,来实现功率管电压过冲的完全抑制。     

压接型IGBT芯片的参数分散性对其并联时开通均流的影响

压接型绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的多芯片并联技术已成为大功率器件设计的核心之一,而并联压接型IGBT芯片的开通均流问题因续流二极管反向恢复的存在需被重点关注。为研究压接型IGBT芯片的参数分散性对其并联时开通均流的影响,文中首先根据IGBT单芯片的开通机理和波形揭示芯片参数对IGBT开通各个阶段内集电极电流变化的影响规律;其次,通过统计直方图获得IGBT芯片阈值电压和饱和管压降等参数的正态分布特性,提出多芯片并联开通过程中集电极电流分布的统计分析方法,掌握并联IGBT芯片的参数分散性对其开通过程中电流分布的定量影响规律,推导开通过程中芯片电流的计算公式;最后,在并联双芯片的双脉冲实验中验证所得结论的有效性,提出调节阈值电压与跨导的比例以及控制饱和管压降的极差等筛选策略。本文的研究成果可以为并联压接型IGBT芯片的参数筛选提供理论指导和数据支撑。     

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。     

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。     

ZVS全桥变换器高频振荡抑制方法研究

分析了零电压开关全桥变换器(ZVS-FB)在高压输出下,其主开关器件及高频脉冲变压器次级高频振荡的产生机理,研究了软开关谐振元件和变压器次级整流桥中二极管反向恢复特性对振荡频率及幅度的影响.提出在变压器初级加反并联箝位二极管以及次级加有源箝位电路以抑制高频振荡.从理论上详细分析了其工作原理,得出了谐振元件及各寄生参数与高频振荡之间的关系.实验证明,该方法可有效抑制高压输出下ZVS-FB变压器初、次级的高频振荡及电压尖峰.     

基于开关能量均衡的并联碳化硅MOSFET芯片筛选

由于碳化硅MOSFET芯片生产制造工艺尚不够成熟,导致芯片参数分散性很大,使其在并联应用时的开关能量产生很大的差异。特别是在高频应用中,开关能量的不均衡将造成芯片发热分布不均衡,并严重影响碳化硅MOSFET模块的可靠性。该文测试获得30个单芯片碳化硅MOSFET器件参数的分散性,建立单芯片碳化硅MOSFET器件并联动态特性测试实验平台和单芯片碳化硅MOSFET器件并联的等效电路计算模型。分别通过改变并联器件的转移特性曲线、导通电阻、栅极内阻和极间电容的差异数值,获取并联器件开关能量和开通瞬态峰值电流的不均衡度。在此基础上,提出基于开关能量均衡的并联碳化硅MOSFET芯片的筛选策略,并通过实验对计算模型芯片筛选策略进行验证。计算结果和实验结果均表明,以瞬态电流均衡为目标的并联碳化硅MOSFET芯片筛选策略,并不能够可靠地保证并联芯片开关能量的均衡,在该文所提筛选策略基础上,可以利用芯片参数对开关能量的补偿效应,实现并联碳化硅MOSFET芯片开关能量的均衡。     

分布式电源并网变流器并联振荡复矢量分析与抑制

随着分布式发电规模的不断扩大,多台并网变流器并联运行时易出现振荡问题。研究了多台并网变流器并联的等效电路和电压源单独供电的系统响应特性,对变流器并联振荡原因进行深入分析。利用复矢量分析变流器并联复矢量模型,研究得出电网电压前馈产生了变流器间较强耦合,因此造成并联变流器振荡。针对上述问题及变流器启动或电网电压波动出现的过流,设计应用低次前馈法,即针对电网电压基波和主要的低次分量进行无延时前馈,针对相对高频的成分利用相应的滤波器技术进行衰减,从而实现最大限度消除变流器间的前馈耦合,防止发生系统振荡。在兆瓦级风场并联变流器应用所提出的理论进行实验,实验结果证明了该理论的正确性。     

一种改进的并联IGBT模块瞬态电热模型

在大功率系统中,为了扩大电路的功率等级,开关器件往往会并联使用。为了保证绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块工作在安全范围,需要建立并联器件的瞬态电热模型。首先,重点分析了结温变化对损耗产生的影响,通过建立不同开关阶段等效电路分析推导电压、电流变化规律。同时,通过搭建测试电路得出受温度影响的参数与温度之间的定量关系。其次,在考虑并联器件之间的散热路径耦合基础上,提出并分析了一种改进的IGBT并联热阻抗模型。最后,基于损耗模型和热阻抗模型建立IGBT并联电热模型。搭建实验平台比较不同模块安装距离对瞬态结温的影响。与传统模型比较,计算结果与实验测试结果吻合,验证了改进的电热模型的准确性。     

聚酰亚胺薄膜局部放电频致拐点现象及形成机制

局部放电是导致高频电力变压器绝缘劣化和失效的重要因素,为准确评估高频正弦波形下电压频率和温度对局部放电特性的影响,设计了高频局部放电测试系统,研究了聚酰亚胺薄膜在不同电压频率(0.5~40k Hz)和温度(30~200℃)下的局部放电相位谱图、放电次数、放电幅值和绝缘寿命。实验发现,平均放电次数和幅值随电压频率的升高先增长后减小,存在"频致拐点"现象,且拐点频率随着温度的升高向低频段转移,而放电次数和幅值随温升单调增加。从空间电荷与放电特征参量的关联规律,以及温度对局部放电特性的影响机制分析着手,结合高频致热效应和电压频率对空间电荷耗散过程的影响,建立了"频致拐点"现象的数学模型,并揭示了其产生机制,为解释高频下的局部放电机制提供了理论依据。     

弱电网下多逆变器并网系统的全局高频振荡抑制方法

该文提出一种弱电网下多逆变器并网系统的全局高频振荡抑制方法,通过引入公共耦合点(PCC)电压全局变量和并网电流高频分量到逆变器控制环节,可实现多逆变器系统的高频振荡抑制。首先,引入PCC电压的前馈构造出并联逆变器在PCC处的虚拟电阻,抑制逆变器谐波电压与电网背景谐波电压引起阻抗网络的谐波谐振;其次,引入并网电流高频分量反馈构造出并联在逆变器输出滤波电容两端的虚拟阻抗,增加逆变器自身阻尼,抑制多逆变器并联谐振。仿真和实验验证了所提高频振荡抑制方法的有效性。     

压接式IGBT器件内部并联支路瞬态电流均衡特性的研究

压接式IGBT(press pack IGBT,PPI)器件在高压大电流应用领域中越来越引起关注。在PPI器件的开关过程中,内部并联芯片的最大电流过冲决定了器件的使用极限。该文提出了一种新型圆周凸台布局方式,可使PPI器件开通过程中各个IGBT芯片支路的电流过冲只超过额定电流的4.7%,各个续流二极管支路的电流完全一致。首先,采用Ansoft Q3D Extractor提取了PPI器件内部IGBT芯片发射极凸台支路和续流二极管并联凸台支路的电感参数矩阵,建立了用于分析PPI器件内部并联IGBT芯片和续流二极管支路开通与关断过程电流波形的等效电路,并基于实验测量方法,验证了所提电感参数的有效性。以2500V/600A的PPI器件为例,研究了该器件内部并联IGBT芯片和续流二极管支路的电流过冲及开关损耗特性。其次,基于该文定义的并联凸台支路的电流过冲系数和不均流因子,对现有的PPI器件内部凸台布局方式进行了优化。结果表明,优化后的凸台布局方式大大降低了PPI器件开通和关断过程中各个并联支路的电流过冲,且IGBT芯片的开关损耗更加均匀。该文的研究成果可以应用于更大电流参数的压接式IGBT器件内部并联芯片的布局设计。     

空气负电晕Trichel脉冲特性的实验研究

为得到Trichel脉冲放电的特征,采用针-板电极结构对空气中负电晕放电的特性进行了实验研究。利用示波器测试了放电电压、电流波形和脉冲频率,利用微安表测试了平均放电电流,并通过放电结构上并联电容的方法研究了外接电容对放电的影响。结果表明,空气负电晕Trichel脉冲非常稳定、规则;其脉冲频率随平均电流线性增大,针尖曲率影响频率上升的斜率,但电极间距、气压、并联电容对频率影响较小;不同放电条件下的Trichel脉冲波形基本相同,其上升沿几乎不随电流、间距、气压、针尖曲率和并联电容变化,但脉冲幅值随平均电流略有下降,同时与间距、气压、针尖曲率和并联电容等条件有关;Trichel脉冲是电晕区的特征放电,在给定电极条件下,其形成过程与平均电流(电压)、气压和外电路并联电容等无关。     

基于电压控制的LC振荡放电融冰电源研究

高频电流的趋肤效应使等效导体中电流产生的热损耗增大,为输电线路融冰提供了一种新的技术方法。文中提出了一种基于LC振荡放电的高频融冰方法,利用RLC串联电路从某一稳态向另一稳态转换时由电容充放电引起电流变化的特性,通过控制电压方波来获得高频的电流。该方法可以有效降低IGBT的开关频率,减少开关损耗。根据功率器件的性能设计了一台融冰电源,仿真实验表明,对长度分别为40 km和35 km的LGJ-400/50导线、LGJ-240/40导线、LGJ-120/25导线和LGJ-70/10导线可获得1 kHz有效融冰电流。     

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芯片动态特性实验平台.通过对动态特性实验平台关键问题进行有限元仿真计算,实现平台回路寄生电感、IGBT芯片表面压力分布及机械夹具温度分布的优化设计.在此基础上建立压接型IGBT芯片动态特性实验平台,对实验平台进行综合调试,结果表明,该文所设计的实验平台具有寄生电感小、IGBT芯片表面压力分布均衡及机械夹具各组件温度分布合理的特点,可以满足电-热-力综合影响因素下压接型IGBT芯片动态特性实验的需求.