壓接式IGBT模塊的開關(guān)特性測試與分析

常 垚 ，周 宇 ，羅皓澤 ，2，李武華 ，何湘寧 ，張朝山

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027；2.Department of Energy Technology,Aalborg University,Aalborg East 9220,Denmark；3.西安開天電力電子技術(shù)有限公司，西安 710077）

壓接式IGBT模塊的開關(guān)特性測試與分析

常 垚1，周 宇1，羅皓澤1，2，李武華1，何湘寧1，張朝山3

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027；2.Department of Energy Technology,Aalborg University,Aalborg East 9220,Denmark；3.西安開天電力電子技術(shù)有限公司，西安 710077）

隨著柔性直流輸電技術(shù)朝著更高電壓等級、更大系統(tǒng)容量方向的發(fā)展，作為其中關(guān)鍵設(shè)備的換流閥和混合式直流斷路器對大容量IGBT器件的封裝特性和電氣性能提出了更高要求。與焊接式IGBT相比，壓接式IGBT具有功率等級更高、開關(guān)速度更快、易于串聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，成為柔性直流輸電的優(yōu)選器件。為系統(tǒng)掌握壓接式IGBT模塊的應(yīng)用特性，設(shè)計(jì)了基于雙脈沖測試原理的壓接式IGBT模塊開關(guān)特性的測試平臺?；跍y試結(jié)果，分析了不同壓接力、負(fù)載參數(shù)和結(jié)溫條件對壓接式IGBT模塊開關(guān)特性的影響規(guī)律；并從器件封裝特性和半導(dǎo)體物理層面、初步探討了壓接式IGBT模塊開關(guān)特性的變化機(jī)理，為其在大功率電力變換領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用提供參考。

壓接式IGBT；雙脈沖測試；開關(guān)特性

21世紀(jì)以來，隨著能源短缺、環(huán)境污染等問題的日益突出，規(guī)?；鍧嶋娔軅鬏敗㈦娏┬鑿V域平衡、大容量高效變流等新的技術(shù)需求相繼涌現(xiàn)，催生了輸電方式的變革[1]。以電壓源換流器和絕緣柵雙極型晶體管IGBT為基礎(chǔ)的柔性直流輸電技術(shù)，由于運(yùn)行方式更靈活、可控性更好[2]，廣泛地應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)、孤島供電、城市中心供電、大容量遠(yuǎn)距離電網(wǎng)互聯(lián)等[3-4]，且朝著更高電壓等級、更大系統(tǒng)容量方向不斷發(fā)展[5]。

換流閥和混合型直流斷路器作為柔性直流輸電技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，對大功率IGBT器件的封裝特性和電氣性能提出了更高要求[6]。在焊接式IGBT模塊封裝設(shè)計(jì)中，采用鍵合線實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片和外部電路的電氣連接，使鍵合線成為焊接式IGBT模塊中最為脆弱的部分[7]，限制了IGBT模塊功率等級的提高并影響到IGBT模塊的使用壽命[8]。壓接式IGBT模塊則采用類似晶閘管、IGCT的封裝設(shè)計(jì)，無鍵合線的引入，具有熱阻低、雜散參數(shù)小等特點(diǎn)，適用于功率等級高、開關(guān)速度更快的電力變換場合。壓接式IGBT模塊具有短路直通的失效模式，是功率模塊串聯(lián)應(yīng)用的理想器件[9]，成為混合型直流斷路器中的核心部件。

目前，ABB、Toshiba、Westcode 等跨國公司相繼推出了壓接式IGBT模塊，國內(nèi)外高校及研究機(jī)構(gòu)對壓接式IGBT模塊進(jìn)行了初步的測試和分析。文獻(xiàn)[10]建立了Westcode的壓接式IGBT模塊內(nèi)部芯片的電-熱-機(jī)多物理場耦合模型，但主要探討了芯片的靜態(tài)熱應(yīng)力分布；文獻(xiàn)[11]比較了焊接式和壓接式IGBT的性能，證明了壓接式IGBT模塊具有廣闊的應(yīng)用前景；文獻(xiàn)[12]中對Toshiba的壓接式IEGT進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)，但對功率器件的動態(tài)性能研究還不夠深入。為進(jìn)一步掌握壓接式IGBT的應(yīng)用特性，仍需系統(tǒng)研究壓接式IGBT模塊在不同工況下的開關(guān)特性。本文以ABB公司的StakPak型壓接式IGBT模塊為研究對象，搭建了一套雙脈沖測試平臺，重點(diǎn)分析了壓接力、負(fù)載參數(shù)、結(jié)溫對壓接式IGBT模塊動態(tài)特性的影響規(guī)律，并從封裝特性、半導(dǎo)體物理層面對模塊開關(guān)特性的變化機(jī)理進(jìn)行初步探討。

1 壓接式IGBT模塊雙脈沖測試平臺

1.1 測試平臺介紹

本文的研究對象為ABB公司的StakPak型IGBT模塊，型號為5SNA 2000K451300，以該模塊的電氣參數(shù)和封裝特點(diǎn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的壓接式IGBT雙脈沖測試電路。

雙脈沖測試電路分為充放電電路和帶感性負(fù)載的半橋電路。充放電電路的輸入電源為單相0～250 V可調(diào)交流源，升壓變壓器變比為1:13。S1為充電繼電器開關(guān)，S2為放電繼電器開關(guān)，R1為阻值5 kΩ、功率500 W的充電限流電阻，R2為兩個阻值5 kΩ、功率500 W的電阻串聯(lián)而成的放電電阻。半橋電路的母線電容為15個1.3 kV/1.8 mF的薄膜電容以5串3并的形式構(gòu)成，每個電容并聯(lián)3個200 kΩ、功率5 W的電阻作為均壓電阻。測試電路硬件參數(shù)則如表1所示。

圖1 雙脈沖測試電路Fig.1 Circuit of double-pulse test

表1 雙脈沖測試電路硬件參數(shù)Tab.1 Parameters of double-pulse test platform

半橋測試電路中IGBT1的柵極短路，其反并聯(lián)二極管用作續(xù)流二極管，IGBT2作為待測器件，其集-射間電壓vCE由差分探頭測量，其集電極電流iC則由同軸電阻測得。該同軸電阻型號為1M-2，帶寬為200 MHz，線性度高。其最大焦耳數(shù)為125 J，其詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 同軸電阻詳細(xì)參數(shù)Tab.2 Parameters of coaxial resistor

IGBT1和IGBT2均與加熱板依次間隔壓接在一起，壓接力的大小則由外部液壓機(jī)控制。加熱板對IGBT模塊均勻加熱并保持溫度穩(wěn)定，以改變測試結(jié)溫。壓接式IGBT雙脈沖測試平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓接式IGBT測試平臺Fig.2 Press-pack IGBT test platform

1.2 雙脈沖測試原理

雙脈沖測試電路的工作時序波形如圖3所示。波形包括門極驅(qū)動電壓vGE、負(fù)載電流iL、待測器件的集-射間電壓vCE、集電極電流iC以及續(xù)流二極管電流iD。實(shí)驗(yàn)開始前，交流源通過升壓變壓器之后由二極管整流橋整流，經(jīng)過充電限流電阻R1對母線電容充電，母線電壓達(dá)到設(shè)定的測試電壓V1后，斷開S1。記該時刻為t0，此時待測器件IGBT2導(dǎo)通，母線電容經(jīng)過負(fù)載電感Lload對IGBT2放電。由于母線電容很大，可假設(shè)母線電壓不變，則集電極電流iC線性上升。經(jīng)過時間ΔT1，iC到達(dá)設(shè)定的測試電流值 I1后，IGBT2關(guān)斷。記該時刻為t1，得到 IGBT2的關(guān)斷過程的電壓、電流波形。t1時刻后，負(fù)載電感通過二極管D1續(xù)流，經(jīng)過時間ΔT2，IGBT2再次開通。由于ΔT2很短，且負(fù)載電感很大，可假設(shè)IGBT2關(guān)斷和開通兩個時刻的電流I1與I2相等，記此刻為t2，得到IGBT2開通過程中的電壓、電流波形。經(jīng)過ΔT3到t3時刻，IGBT2再次關(guān)斷，之后負(fù)載電感繼續(xù)由二極管D1續(xù)流，直至負(fù)載電感電流降至為零，同時放電繼電器S2閉合，母線電容通過R2放電，直至電壓為 0，測試結(jié)束[13]。

圖3 雙脈沖測試信號時序Fig.3 Sequential signal of double-pulse test

1.3 典型工況下壓接式IGBT模塊的開關(guān)波形

在母線電壓2 000 V、集電極電流1 000 A、壓接力40 kN、結(jié)溫25°C時，測得關(guān)斷與開通時刻的關(guān)鍵波形，如圖4所示，包括vGE、vCE、iC以及開關(guān)損耗功率Poff/Pon。

與圖3中理想的關(guān)斷、開通波形不同，在關(guān)斷過程中，由于電路中存在雜散電感[14]，電壓vCE存在關(guān)斷過沖，過沖比例約為20%；在IGBT開通過程中，續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流疊加在集電極電流上，產(chǎn)生的電流過沖約為待測集電極電流的1.5倍。同時由于IGBT器件開關(guān)非理想過程，電壓電流的波形有部分重疊，兩者相乘產(chǎn)生開關(guān)功率損耗，若對其進(jìn)行時間積分，則可算出開通或關(guān)斷過程中IGBT損耗的能量。

圖4 典型應(yīng)用工況下壓接式IGBT模塊開關(guān)波形Fig.4 Switching waveforms in typical working condition

參考國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60747-9中對IGBT開關(guān)特性參數(shù)的定義，通過改變測試參數(shù)，提取相應(yīng)的開關(guān)特征，以分析機(jī)械壓接力、負(fù)載參數(shù)和結(jié)溫對壓接式IGBT開關(guān)特性的影響機(jī)理。

2 機(jī)械壓接力對模塊開關(guān)特性的影響

壓接式IGBT模塊在安裝過程中需要施加機(jī)械壓接力，以確保模塊的正常使用[15-16]。待測模塊對壓接力的要求在60～75 kN之間，且要保證壓接表面光滑平整，受力均勻。實(shí)際壓接裝置在較高的機(jī)械應(yīng)力容易產(chǎn)生形變，從而使得模塊受力不均。同時，受熱脹冷縮的影響，在外部環(huán)境溫度或模塊內(nèi)部結(jié)溫改變時，壓接裝置的機(jī)械應(yīng)力也隨之改變，進(jìn)而影響模塊的受力。

為研究機(jī)械應(yīng)力與模塊開關(guān)特性的關(guān)系，在母線電壓2 000 V、負(fù)載電流1 000 A的工況下，測試并分析機(jī)械壓力對開關(guān)特性參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3的數(shù)據(jù)可知，在溫度、母線電壓、負(fù)載電流均一定時，改變機(jī)械壓力，壓接式IGBT模塊的開關(guān)特性參數(shù)變化很小，同一開關(guān)特性參數(shù)在不同的壓接力作用下數(shù)值大小之間的差距均在5%以內(nèi)。由StakPak型IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知[17]，模塊的集電極和發(fā)射極通過銅片制成的壓接針形成電氣連接，而壓接針內(nèi)部是承受壓接力的碟形彈簧。因此，該型號的壓接式IGBT模塊的開關(guān)特性與模塊所受機(jī)械壓接力之間不存在明顯的耦合關(guān)系。為保證待測IGBT模塊滿足基本使用要求，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中模塊承受壓力均維持在50 kN。

表3 不同結(jié)溫和不同機(jī)械壓力下模塊開關(guān)特性參數(shù)Tab.3 Switching parameters of press-pack IGBT module with variable mounting forces and temperatures

3 負(fù)載參數(shù)對模塊開關(guān)特性的影響

本文所用驅(qū)動器的驅(qū)動電阻RG為1.8 Ω。在驅(qū)動參數(shù)固定的情況下，主要研究母線電壓和負(fù)載電流的變化對模塊開關(guān)特性的影響。

圖5為結(jié)溫25°C、母線電壓2 500 V時負(fù)載電流（1 kA、1.5 kA、2 kA）變化對開關(guān)特性參數(shù)的影響。由圖5可知，關(guān)斷電壓峰值、開通/關(guān)斷時間、開通/關(guān)斷電流變化率均與電流呈正相關(guān)變化。這是由于當(dāng)工作電壓和結(jié)溫一定時，集電極電流決定了正向?qū)〞r漂移區(qū)積累的少子數(shù)量，當(dāng)集電極電流越大，積累的少子數(shù)量越多，使得開通和關(guān)斷時間均延長。而集電極電流的增加亦會使得載流子抽取區(qū)的電流密度增加[18]，使開通和關(guān)斷電流變化率變大。在關(guān)斷電流變化率增大而環(huán)路寄生電感不變的情況下，模塊所承受的關(guān)斷電壓峰值也相應(yīng)提高。

圖6為結(jié)溫25°C、負(fù)載電流1 000 A時變化的母線電壓（1 kV、1.5 kV、2 kV）對開關(guān)特性參數(shù)的影響。與圖5中情況不同的是，隨著母線電壓上升，并非所有的開關(guān)特性參數(shù)都隨之增加，其中開通時間隨之減小。從半導(dǎo)體物理層面分析，當(dāng)母線電壓上升時，載流子抽取區(qū)邊沿的載流子濃度變高[18]，這使得開通時刻電流變化率加大，反向恢復(fù)時刻開通電流峰值也相應(yīng)提高，但也加快了抽取載流子的速度，使得開通時間變小。

4 結(jié)溫對模塊開關(guān)特性的影響

在IGBT模塊實(shí)際應(yīng)用工況中，由于芯片內(nèi)部高頻通斷切換的自熱效應(yīng)以及外部環(huán)境的變化，IGBT模塊的結(jié)溫處于不斷變化中。IGBT模塊的工作本質(zhì)是載流子的輸運(yùn)，與載流子遷移率和壽命密切相關(guān)，而結(jié)溫對載流子遷移率及壽命有著直接影響。因此，為分析模塊開關(guān)特性與結(jié)溫的關(guān)系，測試不同溫度 Tvj（25°C、50°C、75°C、100°C、125°C）下壓接式IGBT模塊的開關(guān)特性參數(shù)，結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

從圖 7（a）、（b）和圖 8（a）、（b）可知，當(dāng)負(fù)載參數(shù)一定時，隨著結(jié)溫的上升，關(guān)斷損耗Eoff、開通損耗Eon也在增大，而開關(guān)損耗的增大會進(jìn)一步促進(jìn)結(jié)溫上升，形成熱效應(yīng)的正反饋。這表明隨著結(jié)溫上升，模塊的運(yùn)行軌跡越來越接近甚至有可能超過其安全工作區(qū) SOA（safe operating area）。

圖5 結(jié)溫25℃、母線電壓2 500 V時不同負(fù)載電流下壓接式IGBT模塊開關(guān)特性參數(shù)對比Fig.5 Switching parameters of press-pack IGBT module with variable load current at 25℃/2 500 V

圖6 結(jié)溫25℃、負(fù)載電流1 000 A時不同母線電壓下壓接式IGBT開關(guān)特性參數(shù)對比Fig.6 Switching parameters of press-pack IGBT module with variable bus voltage at 25℃/1 000 A

從圖 7（c）及圖 8（c）可知，隨著結(jié)溫的上升，由于IGBT的密勒電容Cgc和密勒平臺電壓ugp受到結(jié)溫變化的影響，模塊關(guān)斷延遲時間增大，關(guān)斷延遲時間tdoff和兩者關(guān)系[19]表示為

結(jié)溫的變化主要影響密勒電容Cgc、密勒平臺電壓ugp和導(dǎo)通電壓uon，由于母線電壓udc遠(yuǎn)大于導(dǎo)通電壓uon，因此，結(jié)溫對導(dǎo)通電壓的影響可以忽略。當(dāng)結(jié)溫上升時，密勒電容Cgc增加，密勒平臺電壓ugp降低，這兩者的變化均使得關(guān)斷延遲時間tdoff增加。因此在負(fù)載參數(shù)一定時，關(guān)斷延遲時間與結(jié)溫呈現(xiàn)正相關(guān)。

圖7 母線電壓2 500 V時壓接式IGBT開關(guān)特性參數(shù)對比Fig.7 Switching parameters of press-pack IGBT module in 2 500 V

圖8 負(fù)載電流1 000 A時壓接式IGBT開關(guān)特性參數(shù)對比Fig.8 Switching parameters of press-pack IGBT module in 1 000 A

從圖7（d）及圖8（d）可知模塊關(guān)斷時刻電流最大變化率隨結(jié)溫增加而減小。當(dāng)模塊結(jié)溫升高，器件內(nèi)部載流子擴(kuò)散系數(shù)會有所降低，使得關(guān)斷初始時刻的電流變化率變緩，而關(guān)斷初始時刻的電流變化率即為關(guān)斷時刻電流最大變化率。因此，模塊關(guān)斷電流最大變化率隨結(jié)溫增加而下降。

從圖 7（e）及圖 8（e）中可得出開通時刻電流最大變化率與結(jié)溫呈負(fù)相關(guān)。開通時刻電流最大變化率為反向恢復(fù)電流最大變化率。當(dāng)結(jié)溫升高時，載流子壽命增加，反向恢復(fù)存儲電荷變多，反向恢復(fù)軟度增大，造成反向恢復(fù)時刻電流變化率降低[20]。因此，模塊開通時刻電流最大變化率隨結(jié)溫增加而減小。

5 結(jié)語

本文以ABB公司的StakPak型壓接式IGBT模塊為研究對象，設(shè)計(jì)并搭建了基于雙脈沖原理的開關(guān)特性測試平臺。在此平臺的基礎(chǔ)上，對壓接式IGBT模塊的開關(guān)特性進(jìn)行測試，著重分析了機(jī)械壓接力、負(fù)載參數(shù)、結(jié)溫對壓接式IGBT模塊開關(guān)特性的影響。研究表明，StakPak型壓接式IGBT模塊的特殊封裝設(shè)計(jì)，使機(jī)械壓接力與模塊開關(guān)特性之間不存在直接的耦合關(guān)系；同時也得到了負(fù)載參數(shù)和結(jié)溫對模塊開關(guān)特性以及安全運(yùn)行條件的影響規(guī)律，并從半導(dǎo)體器件物理層面分析模塊的開關(guān)特性變化機(jī)制。本文研究對未來壓接式IGBT模塊在柔性直流輸電技術(shù)中的更高效、更安全的應(yīng)用提供了參考。

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[20]Lauritzen P O,Ma C L.A simple diode model with reverse recovery[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1991,6（2）:188-191.

常垚

常垚（1992-），男，通信作者，博士研究生，研究方向:大功率IGBT測試與可靠性分析，E-mail：cy_pe@zju.edu.cn。

周宇（1994-），男，博士研究生，研究方向:大功率IGBT測試與壽命預(yù)測，E-mail：yzhou16@zju.edu.cn。

羅皓澤（1986-），男，博士研究生，研究方向：大容量電力電子器件的可靠性，E-mail：luohaoze@163.com。

李武華（1979-），男，中國電源學(xué)會高級會員，博士，教授，研究方向:大功率變流技術(shù)，E-mail：woohualee@zju.edu.cn。

何湘寧（1961-），男，中國電源學(xué)會高級會員，博士，教授，IEE Fellow，IEEE Fellow，研究方向:電力電子技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用，E-mail：hxn@zju.edu.cn。

張朝山（1982-），男，碩士，研究方向：大功率IGBT器件測試與可靠性分析，E-mail：zcs559@163.com。

Test and Analysis of Switching Performance for Press-pack IGBT Modules

CHANG Yao1,ZHOU Yu1,LUO Haoze1,2,LI Wuhua1,HE Xiangning1,ZHANG Chaoshan3
（1.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2.Department of Energy Technology,Aalborg University,Aalborg East 9220,Denmark;3.Xi’an Kaitian Power Electronics Technical Co.Ltd.Xi’an 710077,China）

With the development of voltage source converter based high voltage direct current（VSC-HVDC）technology to higher voltage rating and higher power capacity,the converter valve and hybrid direct current breaker,which are the core components of VSC-HVDC,have put forwards higher demands on IGBT package feature and electrical performance.Compared with the solder plastic IGBT modules,the press-pack IGBT modules,are becoming preferred in the field of VSC-HVDC which feature higher power rating,faster switching speed and are more easily to be connected in series.In this paper,a test platform of switching performance for press-pack IGBT modules is designed and implemented to employ the principle of double pulse test.The effects of the external mechanical mounting force,bus voltage,load current and junction temperature on switching performance are analyzed in detail,and the variation mechanism of switching performance for press-pack IGBT is discussed preliminarily from the view of module’s package feature and semiconductor knowledge.

press-pack IGBT;double-pulse test;switching performance

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.179

TM46

A

2016-10-07；

2017-02-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51490682,51677166）

Project Supported by National Natural Science Foundations of China（51490682,51677166）