电极结构与空间布置对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流的影响（一）:计算研究

发布时间：2021-08-12 02:13

　　该文从理论分析与建模计算2个方面研究电极结构与空间布置对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流的影响。首先,从理论上分析电极结构对IGBT芯片和FRD芯片的并联均流特性的影响机理,并比较主动和被动均流模式下影响机理的差异。进而详细对比分析了时域等效电路方法与频域有限元方法的特点与优势。最后,在被动注入模式下计算4种典型结构下器件内部的动态均流特性。计算结果表明:发射极电极圆周化布置,在对称的外部电磁条件下可以明显优化器件内部的并联均流特性。但是当器件连接外部不对称汇流母排后,该布置方案收效甚微,甚至有加剧不均流的风险;发射极电极刻槽,在对称或者不对称的外部电磁条件下,都能对器件内部的动态均流特性加以改善。 

【文章来源】：中国电机工程学报. 2020,40(07)北大核心EICSCD

【文章页数】：13 页

【部分图文】：

压接型IGBT器件内部的动态电流分布t/s(b)IGBT支路电流集电极电6570758085905010101107030

?ǔＰ枰?胪獠炕懔髂概?相连接。对于具有较大直径的压接型IGBT器件，不同芯片支路与外部汇流母排之间的互感可能存在明显差异。在设计IGBT器件内部的电极结构时，也需要评估外部汇流母排对动态均流的影响。此时，采用时域等效电路方法就会非常不便。因为该方法不仅需要补充提取外部母排与内部支路之间的互感，还需要重新进行元件封装与电路仿真，工作量巨大，且缺乏继承性。然而，频域有限元方法则不存在这样的困扰。为了评估非对称条件下IGBT器件内部的动态均流特性，本文在图6的基础上建立了如图12所示的三维涡流场有限元模型。为了减小计算量，本文根据计算场域的对称性，只对原场域的1/4部分进行计算。其中，xz平面被设置为理想磁导体边界402002020400x位移/cmy位移/cm无穷远域压力垫块IGBT汇流母排04020z位移/cmyzx40图12不对称外部母排下IGBT并联均流有限元模型Fig.12CurrentsharingfiniteelementmodelofIGBTswithasymmetricbus

致鄄煌?姆抡婕扑惴椒ā?2压接型IGBT器件内部多芯片并联均流特性的建模计算方法2.1主动开关模式下的时域等效电路方法对于压接型IGBT器件内部芯片级并联均流的建模计算，如今学界和工业界普遍采用的是时域等效电路方法。该方法通过提取器件内部的封装寄生参数，结合IGBT与FRD芯片的电路模型，得到类似图2的并联等效电路，进而在主动开关模式下开展电路级并联均流仿真研究。本文基于该方法，研究3.3kV/1500A压接型IGBT器件的多芯片并联均流特性。其中主要的建模和计算流程如图3所示。首先，根据实际器件的结构开展几何建模并做适当的简化处理，生成结构文件。之后将结构文件导入到商业化的电磁参数提取软件中，设置材料参数和汇流端口，获取寄生电磁元件的网表文件。进一步将网表封装为一个多端口的电路元件，导入电路仿真软件中，并与现有的IGBT和FRD芯片元件连接。最后，将整个器件模结构设计电路仿真电磁参数提取图3基于等效电路方法的压接型IGBT器件内部并联均流的仿真流程Fig.3SimulationflowforcurrentsharinginapresspackIGBTdevicebasedontheequivalentcircuitmethod型接入双脉冲或BULK电路中，开展动态均流仿真。一组典型的动态均流仿真结果如图4(b)所示，此时各栅极回路的寄生元件都设置为相同的参数值。从图4(b)可以看到，各个芯片支路之间存在明显的动态不均流。开通时，顶角位置的IGBT-11支路上电流过冲尤为明显；关断时，中心位置的IGBT-33支路上存在关断延迟且存在明显的电流过冲。(a)IGBT芯片布局t/s(b)IGBT支路电流集电极电流/A657075808521017013090501010190


本文编号：3337370