压接式IGBT的电热特性与失效短路分析

发布时间：2020-05-05 05:07

【摘要】：压接式IGBT(press pack IGBT,PPI)是柔性直流输电装备的关键部件,相比于传统焊接型器件具有结构紧凑、失效短路、双面散热,可靠性高等优点。研制国产化PPI并将其广泛应用于换流阀和断路器中,对于提升电网功率等级以及系统可靠性具有重要意义。由于PPI通过压力维持电极间的紧密接触,如果施压不均或者不能进入稳定的失效短路模式,PPI将很难体现出其封装优势,并稳定地为电网服务。针对这一情况,本论文将分两个方面对PPI展开研究,一方面仿真和实验相结合,研究PPI的特性及其与压力的相关性,另一方面通过实验研究PPI器件特有的失效短路模式。主要的研究工作包括以下几个方面:首先,研究PPI的动静态特性及其与压力和温度相关性。本文首先搭建了动静态特性测试平台。具体做法是:将静态测试仪B1505A与温箱结合,在不同的温度条件下,进行静态参量的测试。研制PPI的实验夹具,测试在不同的压力条件下PPI的基本特性,分析温度与器件的阈值电压与饱和压降的关系,分析施加压力与PPI器件接触电阻、接触热阻的关系。其次,针对PPI实际应用过程中,采用多芯片并联来提高功率等级时,模块内芯片间存在压力不均,且现有实验条件下,无法测得器件内部压力分布的情况,论文提出了单芯片压接式器件并联,模拟研究多芯片器件受压力不均影响的方法。首先,结合测得的静态特性以及查阅得到的材料属性,遵照多物理场的耦合规律,建立单芯片PPI有限元模型,并进一步扩展为多芯片并联的有限元模型;然后,建立两芯片并联运行的实验室测试平台并开展实验,验证并联有限元模型的有效性;最后,将该并联模型进一步推广到1500A的实际PPI模块的特性研究中,通过仿真分析了压力不均对器件电热分布的影响规律。最后,论文研究了PPI器件特有的失效短路模式,主要工作包括:搭建短路实验平台,开展短路实验,得到失效短路的芯片样品;并利用电子显微镜分析,通过微观结构观察其失效点特征,分析失效原因;在短路芯片的基础上,进行短路耐受性实验,研究芯片短路老化以及到最后走向开路失效的过程,并分析其老化机理;模拟断路器工况,在短路实验的基础上添加母线电感,延缓器件失效短路过程,发现大电流脉冲下的失效模式,并分析其失效原因。
【图文】：

结构图,压接型,IGBT模块,典型剖面

图 1.1 焊接型 IGBT 和压接型 IGBT 模块典型剖面结构图Fig1.1 diagram of IGBT modules and Press-Pack IGBTs 1.1 显示了压接式 IGBT 和焊接型 IGBT 的基本结构，对比发现“纤弱”键合引线连接了电极和芯片，也是电流的主要流通路径的流通；而压接式 IGBT 通过上下电极的压力来紧密连接芯片而下的电流流通路径显然更加“宽阔”、牢靠，，从而更能适用况。而在压接式 IGBT 的特性中，最值得关注的就是 IGBT 模块失效短路特性。力分布而言，一方面相比于传统的焊接型 IGBT，压力特性是其点。另一方面由于封装材料的公差以及器件工作过程中模块内导致封装模块内部会存在严重的压力不均现象，图 1.2 通过压力内部的压力分布情况，可以看到存在严重的压力不均问题。因力问题的研究，找到压力不均可能导致的一系列问题，从而进

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1.1 焊接型 IGBT 和压接型 IGBT 模块典型剖面结构Fig1.1 diagram of IGBT modules and Press-Pack IGB了压接式 IGBT 和焊接型 IGBT 的基本结构，键合引线连接了电极和芯片，也是电流的主要而压接式 IGBT 通过上下电极的压力来紧密流流通路径显然更加“宽阔”、牢靠，从而压接式 IGBT 的特性中，最值得关注的就是特性。言，一方面相比于传统的焊接型 IGBT，压力方面由于封装材料的公差以及器件工作过程模块内部会存在严重的压力不均现象，图 1.2力分布情况，可以看到存在严重的压力不均研究，找到压力不均可能导致的一系列问题
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM721.1;TN322.8

【参考文献】