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压接型IGBT器件封装的电热力多物理量均衡调控方法

1. 高压IGBT器件封装绝缘测试系统针对高压IGBT器件内部承受的正极性重复方波电压以及高温工况，研制了针对高压IGBT器件、芯片及封装绝缘材料绝缘特性的测试系统（如图1所示），可实现电压波形参数、温度和气压的灵活调控，用于研究电压类型（交、直流、重复方波电压）、波形参数、气体种类、气体压力等因素对绝缘特性，具备放电脉冲电流测量、局部放电测量、放电光信号测量、漏电流测量及紫外光子测量等功能（如图2所示），平台相关参数：频率：DC~20kHz，电压：0~20kV，上升沿/下降沿：150ns可调，占空比：1%~99%，温度：25℃~150℃，气压：真空~3个大气压。 2.压接型IGBT器件并联均流实验系统针对高压大功率压接型IGBT器件内部的芯片间电流均衡问题，研制了针对压接型IGBT器件的多芯片并联均流实验系统（如图3所示），平台具有灵活调节IGBT芯片布局，栅极布线，温度和压力分布的能力，可开展芯片参数、寄生参数以及压力和温度等多物理量对压接型IGBT器件在开通/关断过程芯片-封装支路瞬态电流分布影响规律的研究，以及瞬态电流不均衡调控方法的研究；平台相关参数：电压：0~6.5kV，电流：0~3kA，温度：25℃~150℃，压力：0~50kN。图3 压接型IGBT多芯片并联均流实验 3.高压大功率IGBT器件可靠性实验系统随着高压大功率 IGBT 器件容量的进一步提升，对其可靠性考核装备在测量精度、测试效率等方面提出了挑战。针对柔性直流输电用高压大功率 IGBT 器件的测试需求，自主研制了 90 kW /3 000 A 功率循环测试装备和100V/200°C高温栅偏测试装备（如图4所示）。功率循环测试装备可针对柔性直流输电中压接型和焊接式两种不同封装形式的IGBT开展功率循环测试，最多可实现12个IGBT器件的同时测试。电流等级、波形参数、压力均独立可调，功率循环周期为秒级，极限测试能力可达 300 ms，最高压力达220 kN，虚拟结温测量精度达±1°C，导通压降测量精度达±2mV。高温栅偏测试装备可实现漏电流和阈值电压的实时在线监测，最多可实现32个IGBT器件的同时测试。 4. 压接器件内部并联多芯片电流及结温测量方法及实现高压大功率压接型IGBT器件内部芯片瞬态电流及结温测量是器件多物理量均衡调控及状态监测的基本手段，针对器件内部密闭封装以及密集分布邻近支路引起的干扰问题，提出了PCB罗氏线圈互电感的等效计算方法，实现了任意形状PCB罗氏线圈绕线结构设计，设计了针对器件电流测量的方形PCB罗氏线圈（如图5所示），实现临近芯片电流造成的测量误差小于1%；针对器件内部多芯片并联芯片结温测量，提出了压接型IGBT器件结温分布测量的时序温敏电参数法，通过各芯片栅极的时序单独控制（如图6所示），在各周期分别进行单颗IGBT芯片结温的测量，进而等效获得一个周期内各IGBT芯片的结温分布。在此基础上，完成了集成于高压大功率器件内部的多芯片并联电流测试PCB罗氏线圈以及时序温敏电参数测量驱动板的设计（如图7所示）。 5. 自主研制高压大功率电力电子器件面向电力系统用高压大功率电力电子器件自主研制的需求，开展了芯片建模与筛选、芯片并联电流均衡调控、封装绝缘特性及电场建模以及器件多物理场调控等方面工作，相关成果支撑了国家电网公司全球能源互联网研究院有限公司3.3kV/1500A、3.3kV/3000A以及4.5kV/3000A硅基IGBT器件的自主研制，并通过柔直换流阀用器件的应用验证实验，同时也支撑了世界首个18kV 压接型SiC IGBT器件的自主研制。

华北电力大学 2021-05-10