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国家自然科学基金-国网智能电网联合基金重点项目"压接型IGBT器件封装的多物理场相互作用机制"成果简介

信息发布于:2022-02-15

高压大功率IGBT器件(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)是由双极型晶体管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,是制造各类高压大容量电力换流和控制装备的核心器件,贯穿于可再生能源电力汇集与并网、交直流输电与组网、电力灵活应用的全过程,已成为支撑以新能源为主体的新型电力系统建设的基础器件。

压接型IGBT器件具有双面散热、失效短路、易于串联等优点,更适合智能电网中的各类高压大容量电力换流和控制装备的应用工况。然而,单个IGBT芯片的电压和电流水平是十分有限的。一般而言,单个IGBT芯片的电压和电流是相互制约的。目前,单个IGBT芯片的电压等级已达到6.5kV(电流为30A),单个IGBT芯片的电流等级已达到225A(电压为1.7kV)。由于单个IGBT芯片无法满足智能电网装备的高压、大电流使用要求,所以需要将数十个IGBT芯片并联与封装成一个高压大功率IGBT器件来使用。如图1所示,高压大功率压接型IGBT器件是通过外施压力将数十个高压IGBT芯片并联与封装实现的。

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(a) 压接型-刚性压接                        (b) 压接型-弹性压接

图1 压接型IGBT器件结构示意图

项目立项之初,受限于压接型IGBT器件开通/关断过程、导通、阻断对应的三种状态的多物理场相互作用机制等科学问题认识不清,我国尚不能自主制造满足电网需求的高压大功率IGBT器件。

基于上述背景,2018年华北电力大学与全球能源互联网研究院有限公司联合承担了国家自然科学基金-国网智能电网联合基金重点项目“压接型IGBT器件封装的多物理场相互作用机制”,项目编号:U1766219,项目负责人为华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室副主任崔翔教授,项目研究时间为2018年1月至2021年12月,为期4年,国家自然基金委员会于2020年1月10日在武汉组织专家对本项目进行了中期检查,认为本项目的“综合评价等级为:A”。

本项目由华北电力大学和全球能源互联网研究院有限公司共同承担,两个单位自2012年起至今始终保持着长期紧密的合作关系。双方聚焦压接型IGBT器件封装的多物理场相互作用机制的科学问题,对4项研究内容及其16个研究任务进行了重点研究,优势互补,定期交流。华北电力大学主要开展实验平台研制、芯片动静态特性及其影响规律、封装绝缘特性及电场计算方法、以及封装多物理量测量和建模等理论研究工作。全球能源互联网研究院主要负责芯片研制、芯片筛选、以及器件封装工艺和调控方法的研究工作。研究总体顺利。完成了研究内容和研究目标,实现了预期成果。

本项目的科学问题属性为“需求牵引,突破瓶颈”类,经过项目的4年的联合攻关,取得了15项主要研究进展:研制了压接型IGBT芯片特性实验平台、压接型器件封装绝缘特性实验平台;建立了压接型IGBT芯片的动态分析模型、压接型IGBT器件的多物理场耦合模型;提出了压接型IGBT器件内部芯片电流的测量方法、压接型IGBT器件内部芯片结温的时序测量方法、压接型IGBT芯片参数的筛选方法、电流连续的细导体段模型的磁场理论及电感计算公式、弛豫电场的计算方法、压接型IGBT器件内部芯片热阻矩阵参数的解析公式;揭示了压接型IGBT器件内部芯片PETT振荡的机制;认知了压接型芯片特性的影响因素及其规律、压接型IGBT器件内部芯片电流的影响因素及其规律、压接型器件封装绝缘材料放电特性的影响因素及其规律、压接型IGBT器件内部芯片多物理量的分布特性。

所取得的15项主要研究进展主要解决了我国自主研制高压大功率压接型IGBT器件的4个关键问题,即:①多物理量对压接型IGBT芯片参数的影响规律与筛选方法,解决了器件内部并联芯片的芯片筛选问题;②寄生参数对压接型IGBT器件开通或关断时内部并联芯片瞬态电流分布的影响规律,解决了器件内部并联芯片瞬态电流分布的调控问题;③正极性重复方波电压对压接型IGBT器件封装绝缘材料绝缘特性的影响规律与弛豫电场的计算方法,解决了器件封装绝缘的设计问题;④压接型IGBT器件内部稳态通流时多物理场耦合及其对并联芯片稳态电流分布和结温的影响规律,解决了器件内部并联芯片稳态电流分布的调控问题。

项目组认为,在15项主要研究进展中有4项代表性成果具有“0到1”原始性创新的特征。现简要报告如下。

代表性成果1:电流连续的细导体段模型的磁场理论及电感计算公式。代表性论文为“电流连续的细导体段模型的磁场及电感”(物理学报,2020,69(03):93-104)。

现有的载流细导体段模型是分析导体闭合回路磁场的基本模型,尽管不满足电流连续性定律,但适用于导体闭合回路的磁场分析。然而,对于工程中只关注导体闭合回路中某一局部的多分支导体段并联的电流分配问题,现有模型不能完整地反映各分支导体段之间磁场的相互作用。

本项目建立了电流连续的细导体段模型,确保了细导体段在段内、段端及段外的电流连续性。提出了模型的磁感应强度、矢量磁位及其规范、磁场能量与电感计算公式等理论,体系完整,模型的电感计算公式,可以对现有模型的电感计算手册中电感计算公式的错误进行修正和完善。

对于图2所示的载流细导体段的传导电流模型,矢量磁位A为

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式中等号右边第一项积分由传导电流产生,等号右边第二项积分由位移电流产生。因此,虽然细导体段外部的位移电流电流密度不产生磁场,但它仍产生矢量磁位。

而推导出的计算磁场能量的磁链法计算公式为

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与现有文献的磁链法被积分项仅含第一项传导电流产生的矢量磁位不同的是,所提方法的被积分项中还含有第二项由位移电流产生的矢量磁位,这保证了所提的细导体段电感计算公式是完整的。同时不需要像能量法对无限大空间进行体积分,而只需要对细导体段体积分,因此极大地简化了细导体段的磁场能量以及电感的计算复杂度。

进而得到n根细导体段,其自电感与互电感分别为

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与现有文献的磁链法相比,增加的等号右边的第二项是由细导体段的端点几何参数表示的极为简单的解析表达式,同时也满足互电感的对称性。

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图2 载流细导体段的传导电流模型

本代表性成果1不仅解决了压接型IGBT器件内部并联芯片支路的电感矩阵参数的快速计算问题,而且解决了现有模型的理论与计算公式不适用的学术问题。未来可应用于核聚变反应中Z箍缩电流分布、直流输电中的单极导线——接地极经大地运行工况、水中(海中)人造棒形设施在水中人工施电,以及其他可能的一类物理问题的定量计算,具有普适性以及重要的科学价值。

代表性成果2:弛豫电场的计算方法。代表性论文为“Time-domain finite element method for transient electric field and transient charge density on dielectric interface”(CSEE Journal of Power and Energy Systems,2022,8(01):143-154)。

现有压接型IGBT器件封装绝缘的电场计算方法主要采用交流工况的静电场计算方法或直流工况的恒定电场计算方法。然而,对于正极性重复方波电压作用下弛豫电场的计算问题,现有计算方法和商业软件不能反映绝缘材料的弛豫特性和弛豫电场的时空分布特性。

本项目建立了压接型IGBT器件封装用典型绝缘材料的宽频介电弛豫模型,可以准确地反映在正极性重复方波电压作用下的零状态、零输入、宽频介电弛豫特性等弛豫电场时空分布的综合特性,提出了弛豫电场的计算方法,在计算方法中还在传统的有限元弱形式中引入了界面电场的法向分量En作为求解变量,可以实现导体及介质分界面电场的准确求解。

图3中给出了正极性重复方波电压下考虑介质弛豫模型和不考虑介质弛豫模型的电场计算结果,通过模型算例证明本项目所提方法,在界面电场的计算精度能提高2个数量级以上(如图4所示)。

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图3 考虑介电弛豫模型对电场强度的影响

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图4 同轴圆柱结构电场计算精度对比

本代表性成果2不仅解决了压接型IGBT器件封装绝缘设计中弛豫电场分布的准确计算问题,而且解决了现有计算方法和商业软件不适用弛豫电场计算的学术问题。未来可应用于高压碳化硅压接型电力电子器件封装绝缘、各类新型高压大容量电力电子装备和紧凑化设计等的弛豫电场的定量计算,以及商业软件中弛豫电场计算模块的开发,具有普适性以及重要的科学价值。

代表性成果3:压接型IGBT器件内部芯片电流的测量方法。代表性论文为“Method of turns arrangement of noncircular Rogowski coil with rectangular section”(IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2021,70:9000310)。

压接型IGBT器件内部并联芯片电流的测量技术,不仅是检验压接型器件内部多芯片并联支路建模方法有效性的关键技术,也是采用实验方法研究多芯片并联支路电流均衡调控的核心技术。然而,现有圆形罗氏线圈因占用空间大,无法套入到压接型器件内部布置紧凑的各个并联芯片支路,对各个芯片电流进行准确测量。

本项目提出了任意形状罗氏线圈的绕线方法,建立了任意形状的罗氏线圈与被测电流支路和非被测电流支路的互感等效模型,巧妙地将互感问题转化为静电场电位边值问题,测量结果既与被测电流在线圈内部的位置无关,也与线圈外部的电流无关,实现了被测电流的准确测量。

图5给出了任意形状罗氏线圈对应的静电场模型,由N匝线圈组成的罗氏线圈与被测电流导线之间的互感可以表示为

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式中4737f3fc3e8c4cc0a1d8df221719cd2f.png2c7529e1223040ef93f14f145e35b90d.png分别代表PCB罗氏线圈中第i个单匝矩形线圈内边缘和外边缘到被测电流导线的距离。

9a15524b9366481c90a329e542455212.png,且选择合适的电位参考点,图5(a)中N个带正电的线电荷与N个带负电的线电荷在P点产生的总电位为

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利用上面的等效关系,可以将互感问题转化为静电场电位边值问题。

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(a) 由2N个线电荷组成的离散模型    (b) 等效电极的电位条件

图5罗氏线圈对应的静电场模型

对于压接型IGBT器件内部芯片的电流测量问题,采用方形PCB罗氏线圈是最适形的结构,用本项目所提出的绕线方法,当被测电流导线在罗氏线圈内时,测量结果几乎与被测电流导线位置无关(如图6所示);当被测电流导线在罗氏线圈外时,测量结果几乎为零(如图7所示),完全满足压接型IGBT器件内部芯片的电流测量要求,而传统的绕线方法制作的PCB罗氏线圈不能满足。

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(a) 传统绕线方法的测量误差    (b) 本项目提出的绕线方法的测量误差

图6 当被测电流导线在罗氏线圈内不同位置的测量误差

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(a) 传统绕线方法的测量误差    (b) 本项目提出的绕线方法的测量误差

图7 当被测电流导线在罗氏线圈外不同位置的测量误差

本代表性成果3不仅解决了压接型IGBT器件内部多芯片并联支路电流的准确测量问题,而且解决了任意形状罗氏线圈绕线方法的理论问题。未来可应用于具有内部各个芯片电流监测功能的新型压接型IGBT器件的研制,以及本项目负责人未知的其他可能的任意形状罗氏线圈的开发,具有一定的普适性以及重要的科学价值。

代表性成果4:压接型IGBT器件内部芯片结温的时序测量方法。代表性论文为“Sequential Vce(T) method for the accurate measurement of junction temperature distribution within press-pack IGBTs”(IEEE Transactions on Power Electronics,2021,36(4):3735-3743)。

压接型IGBT器件内部芯片结温的测量技术,不仅是检验压接型器件内部多物理场建模方法有效性的关键技术,也是采用实验方法研究多芯片并联多物理量均衡调控的核心技术。然而,现有压接型IGBT器件的平均结温测量方法不能反映器件内部芯片结温的真实情况。

本项目提出了压接型IGBT器件内部芯片结温的时序测量方法,采用小电流饱和压降法,将器件开通大电流升温、关断大电流降温以及时序依次开通器件内部各个芯片巧妙结合,实现了各个芯片结温的时序测量。

图8中给出了本项目提出的适于压接型IGBT器件内部芯片结温测量的时序测量电路及电路板,图9中给出了采用该测量方法测量得到的并联30颗芯片的压接型IGBT器件内部芯片的结温分布。

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图8 芯片结温测量的时序控制电路及电路板

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图9 并联30颗芯片的结温分布测量结果

本代表性成果4不仅解决了压接型IGBT器件内部芯片结温的准确测量问题,而且解决了压接型IGBT器件自主研制中内部多芯片并联的多物理量均衡调控效果的检验问题。未来可应用于具有内部各个芯片结温监测功能的新型压接型IGBT器件的研制,具有重要的科学价值。

结合本项目成果,共发表和录用论文55篇,其中:发表45篇(SCI收录26篇,EI收录15篇,其他4篇)、录用10篇(SCI期刊5篇,EI期刊3篇,其他2篇);授权和受理发明专利20件(其中授权11件,受理9件);培养学术骨干5人、博士研究生13人和硕士研究生15人;完成年度进展报告3份。超额完成了项目任务书规定的论文和专利指标。

本项目成果解决了我国自主研制高压大功率压接型IGBT器件技术瓶颈背后的科学问题,创新发展了高压大功率压接型IGBT器件封装电磁分析理论,为器件封装的芯片参数筛选、多芯片并联电流均衡、封装绝缘和多物理场均衡设计奠定了理论基础,提供了设计依据和调控方法,解决了制约我国高压大功率压接型IGBT器件自主研制的“卡脖子”问题,应用于我国3.3kV/1500A和3.3kV/3000A压接型IGBT器件的自主研制,促使了基础研究成果走向应用。



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