3300V/1500A压接IGBT模块的失效仿真分析
发布时间：2021-11-06 06:56
柔性直流输电以其高度可控、灵活高效的特点,成为解决风电等可再生能源并网问题的有效技术手段。未来的直流输电网络,不仅可以解决我国西部可再生能源高效开发利用和海上风电场并网问题,也是构建我国未来电网模式即主干输电网与区域输配电网、微网相结合模式的我国未来电网的重要环节。高压柔性多端直流输配电系统及输配电网的关键装备之一就是高压直流断路器。而作为输电线路中最重要的一个环节的断路器的性能直接影响着电网的正常运行。其内部主支路和转移支路采用压接式IGBT模块进行多模块串联,每个模块由多个IGBT芯片压接而成,因而单个模块的电流分断能力将影响直流断路器的性能和上限。本文以国产3300V/1500A压接模块在电流分断实验中失效波形为研究对象,利用IGBT芯片几种主要失效模式“热击穿”、“栅氧层击穿”、“动态闭锁”和“雪崩击穿”的对外电学特性,对模块失效类型进行分析判别。通过对失效芯片位置的检测分析出造成失效原因是不均流导致;然后建立芯片故障等效电路来仿真重现故障波形,验证对故障的分析判别;最后提出了一种基于栅极分压的方法来改善均流的措施。
【文章来源】：华北电力大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１?ＩＧＢＴ结构和导通时的载流子路径??６??
定义：Ｇ为栅极，Ｅ为发射极，Ｃ为集电极。发射极和集电极命名来源于ＢＪＴ??管，正好与丨ＧＢＴ是ＭＯＳ与ＢｊＴ复合的器件相传承。丨ＧＢＴ是复合器件，ＭＯＳＦＥＴ??的漏极与ＰＮＰ型晶体管的基极相连，等效屯路如图２－２所不。其中ＮＰＮ型晶体管，??由于体电阻Ｒｓ非常小，在ＩＧＢＴ正常工作时，其基极与发射极相当于短接，不会与??ＰＮＰ晶体管形成正反馈导通。??Ｃｇｃ?＼ｃ??——＾????ＰｎＰ??飞Ｃｅｃ??ｎＭＯＳ????Ｉ?＾?Ｙ??？—－?ｒｒ??Ｇ?１—??丁?ｃ９ｅ??Ｆｅ?￣￣??阁２－２?ＩＧＢＴ的等效电路??２．１．２?ＩＧＢＴ的工作原理和输出特性??以上图力例來说明丨ＧＢＴ的原理：??对集电极Ｃ和发射极Ｅ之间施加正向母线电压Ｕｂｒ，器件处于正向阻断状态，??由Ｊ２结反偏来承担母线电压Ｕｂｒ？??（１）
华北电力大学硕上论文??２．２．１压接式ＩＧＢＴ模块结构特点??最初的压接式封装来源于晶闸管等整晶圆的单器件如图２－４所示。整块晶圆??被上下两块金属盖所夹住，给整晶圆施加足够的压力并使得压力分布均匀，保持足??够热接触和电接触，压强需要达到１０－２０Ｎ／ｍｍ２［２７］。由于器件在工作时积聚产生的??热量会使硅膨胀，所以要在晶關和上下两块金属盖板时间放置，钼片的膨胀系数￣??硅十分相近，是作为晶圆与金属盖板之间的理想缓冲层。??几压力??阳极盖板??钼片．？整晶圆??压力阴极鎌??图２－４采用整晶圆压接封装的器件??压接式ＩＧＢＴ器件并不是整晶圆，而是在腹面的金属盖板上有多个类矩形凸台，??每个矩形凸台的的直角都有一个弧形缺口用来接触１ＧＢＴ的控制栅。并且每个ＩＧＢＴ??芯片也都配备了缓冲金属层。如图２－５所示为压接式ＩＧＢＴ的内部构造。??響??图２－５?Ｅ：接ＩＧＢＴ模块的全局视阁??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]换流阀用与直流断路器用压接型IGBT器件差异分析[J]. 赵志斌,邓二平,张朋,张骏,黄永章. 电工技术学报. 2017(19)
[2]中国未来电网的发展模式和关键技术[J]. 徐恵三. 山东工业技术. 2016(16)
[3]IGBT极限功耗与热失效机理分析[J]. 汪波,罗毅飞,张烁,刘宾礼. 电工技术学报. 2016(12)
[4]压接式IGBT器件内部并联支路瞬态电流均衡特性的研究[J]. 唐新灵,崔翔,赵志斌,张朋,温家良,张睿. 中国电机工程学报. 2017(01)
[5]大功率压接式IGBT器件设计与关键技术[J]. 窦泽春,刘国友,陈俊,黎小林,彭勇殿,李继鲁. 大功率变流技术. 2016(02)
[6]基于IGBT串联技术的混合式高压直流断路器方案[J]. 药韬,温家良,李金元,陈中圆. 电网技术. 2015(09)
[7]直流输电工程换流阀控制系统对比分析[J]. 张俊,李跃婷. 电力系统保护与控制. 2014(20)
[8]压接式IGBT模块的热学特性研究[J]. 窦泽春,忻兰苑,刘国友,黄蓉,徐凝华,吴义伯. 机车电传动. 2013(03)
[9]新型压接式IGBT模块的结构设计与特性分析[J]. 窦泽春,Rupert Stevens,忻兰苑,刘国友,徐凝华. 机车电传动. 2013(01)
[10]高压IGBT的动态雪崩问题[J]. 李兴鲁,吴郁,查祎英,高一星. 电力电子. 2012(03)
硕士论文
[1]压接式IGBT器件内部电场分析与绝缘设计[D]. 孙俊达.华北电力大学(北京) 2017
[2]550V厚膜SOI-LIGBT热载流子退化机理及寿命模型研究[D]. 张艺.东南大学 2016
[3]高压IGBT的失效机理分析[D]. 薛鹏.电子科技大学 2016
[4]压接型IGBT模块内部并联芯片支路电流分布特性及其均流方法[D]. 张睿.华北电力大学(北京) 2016
[5]高压IGBT短路关断中芯片温升仿真研究[D]. 李尧圣.华北电力大学(北京) 2016
[6]高压IGBT模块动态特性测试与建模[D]. 邹凯凯.华北电力大学 2015
[7]高压IGBT关断状态失效的机理研究[D]. 李巍.电子科技大学 2013
[8]功率IGBT的若干失效问题研究[D]. 李锋.西安理工大学 2009
本文编号：3479392
【文章来源】：华北电力大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１?ＩＧＢＴ结构和导通时的载流子路径??６??
定义：Ｇ为栅极，Ｅ为发射极，Ｃ为集电极。发射极和集电极命名来源于ＢＪＴ??管，正好与丨ＧＢＴ是ＭＯＳ与ＢｊＴ复合的器件相传承。丨ＧＢＴ是复合器件，ＭＯＳＦＥＴ??的漏极与ＰＮＰ型晶体管的基极相连，等效屯路如图２－２所不。其中ＮＰＮ型晶体管，??由于体电阻Ｒｓ非常小，在ＩＧＢＴ正常工作时，其基极与发射极相当于短接，不会与??ＰＮＰ晶体管形成正反馈导通。??Ｃｇｃ?＼ｃ??——＾????ＰｎＰ??飞Ｃｅｃ??ｎＭＯＳ????Ｉ?＾?Ｙ??？—－?ｒｒ??Ｇ?１—??丁?ｃ９ｅ??Ｆｅ?￣￣??阁２－２?ＩＧＢＴ的等效电路??２．１．２?ＩＧＢＴ的工作原理和输出特性??以上图力例來说明丨ＧＢＴ的原理：??对集电极Ｃ和发射极Ｅ之间施加正向母线电压Ｕｂｒ，器件处于正向阻断状态，??由Ｊ２结反偏来承担母线电压Ｕｂｒ？??（１）
华北电力大学硕上论文??２．２．１压接式ＩＧＢＴ模块结构特点??最初的压接式封装来源于晶闸管等整晶圆的单器件如图２－４所示。整块晶圆??被上下两块金属盖所夹住，给整晶圆施加足够的压力并使得压力分布均匀，保持足??够热接触和电接触，压强需要达到１０－２０Ｎ／ｍｍ２［２７］。由于器件在工作时积聚产生的??热量会使硅膨胀，所以要在晶關和上下两块金属盖板时间放置，钼片的膨胀系数￣??硅十分相近，是作为晶圆与金属盖板之间的理想缓冲层。??几压力??阳极盖板??钼片．？整晶圆??压力阴极鎌??图２－４采用整晶圆压接封装的器件??压接式ＩＧＢＴ器件并不是整晶圆，而是在腹面的金属盖板上有多个类矩形凸台，??每个矩形凸台的的直角都有一个弧形缺口用来接触１ＧＢＴ的控制栅。并且每个ＩＧＢＴ??芯片也都配备了缓冲金属层。如图２－５所示为压接式ＩＧＢＴ的内部构造。??響??图２－５?Ｅ：接ＩＧＢＴ模块的全局视阁??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]换流阀用与直流断路器用压接型IGBT器件差异分析[J]. 赵志斌,邓二平,张朋,张骏,黄永章. 电工技术学报. 2017(19)
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[3]IGBT极限功耗与热失效机理分析[J]. 汪波,罗毅飞,张烁,刘宾礼. 电工技术学报. 2016(12)
[4]压接式IGBT器件内部并联支路瞬态电流均衡特性的研究[J]. 唐新灵,崔翔,赵志斌,张朋,温家良,张睿. 中国电机工程学报. 2017(01)
[5]大功率压接式IGBT器件设计与关键技术[J]. 窦泽春,刘国友,陈俊,黎小林,彭勇殿,李继鲁. 大功率变流技术. 2016(02)
[6]基于IGBT串联技术的混合式高压直流断路器方案[J]. 药韬,温家良,李金元,陈中圆. 电网技术. 2015(09)
[7]直流输电工程换流阀控制系统对比分析[J]. 张俊,李跃婷. 电力系统保护与控制. 2014(20)
[8]压接式IGBT模块的热学特性研究[J]. 窦泽春,忻兰苑,刘国友,黄蓉,徐凝华,吴义伯. 机车电传动. 2013(03)
[9]新型压接式IGBT模块的结构设计与特性分析[J]. 窦泽春,Rupert Stevens,忻兰苑,刘国友,徐凝华. 机车电传动. 2013(01)
[10]高压IGBT的动态雪崩问题[J]. 李兴鲁,吴郁,查祎英,高一星. 电力电子. 2012(03)
硕士论文
[1]压接式IGBT器件内部电场分析与绝缘设计[D]. 孙俊达.华北电力大学(北京) 2017
[2]550V厚膜SOI-LIGBT热载流子退化机理及寿命模型研究[D]. 张艺.东南大学 2016
[3]高压IGBT的失效机理分析[D]. 薛鹏.电子科技大学 2016
[4]压接型IGBT模块内部并联芯片支路电流分布特性及其均流方法[D]. 张睿.华北电力大学(北京) 2016
[5]高压IGBT短路关断中芯片温升仿真研究[D]. 李尧圣.华北电力大学(北京) 2016
[6]高压IGBT模块动态特性测试与建模[D]. 邹凯凯.华北电力大学 2015
[7]高压IGBT关断状态失效的机理研究[D]. 李巍.电子科技大学 2013
[8]功率IGBT的若干失效问题研究[D]. 李锋.西安理工大学 2009
本文编号：3479392
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