壓接型IGBT器件封裝的電熱力多物理量均衡調(diào)控方法

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1. 高壓IGBT器件封裝絕緣測試系統(tǒng)

針對(duì)高壓IGBT器件內(nèi)部承受的正極性重復(fù)方波電壓以及高溫工況，研制了針對(duì)高壓IGBT器件、芯片及封裝絕緣材料絕緣特性的測試系統(tǒng)（如圖1所示），可實(shí)現(xiàn)電壓波形參數(shù)、溫度和氣壓的靈活調(diào)控，用于研究電壓類型（交、直流、重復(fù)方波電壓）、波形參數(shù)、氣體種類、氣體壓力等因素對(duì)絕緣特性，具備放電脈沖電流測量、局部放電測量、放電光信號(hào)測量、漏電流測量及紫外光子測量等功能（如圖2所示），平臺(tái)相關(guān)參數(shù)：頻率：DC~20kHz，電壓：0~20kV，上升沿/下降沿：150ns可調(diào)，占空比：1%~99%，溫度：25℃~150℃，氣壓：真空~3個(gè)大氣壓。 

2.壓接型IGBT器件并聯(lián)均流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)高壓大功率壓接型IGBT器件內(nèi)部的芯片間電流均衡問題，研制了針對(duì)壓接型IGBT器件的多芯片并聯(lián)均流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如圖3所示），平臺(tái)具有靈活調(diào)節(jié)IGBT芯片布局，柵極布線，溫度和壓力分布的能力，可開展芯片參數(shù)、寄生參數(shù)以及壓力和溫度等多物理量對(duì)壓接型IGBT器件在開通/關(guān)斷過程芯片-封裝支路瞬態(tài)電流分布影響規(guī)律的研究，以及瞬態(tài)電流不均衡調(diào)控方法的研究；平臺(tái)相關(guān)參數(shù)：電壓：0~6.5kV，電流：0~3kA，溫度：25℃~150℃，壓力：0~50kN。

圖3 壓接型IGBT多芯片并聯(lián)均流實(shí)驗(yàn)

3.高壓大功率IGBT器件可靠性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

隨著高壓大功率 IGBT 器件容量的進(jìn)一步提升，對(duì)其可靠性考核裝備在測量精度、測試效率等方面提出了挑戰(zhàn)。針對(duì)柔性直流輸電用高壓大功率 IGBT 器件的測試需求，自主研制了 90 kW /3 000 A 功率循環(huán)測試裝備和100V/200°C高溫柵偏測試裝備（如圖4所示）。功率循環(huán)測試裝備可針對(duì)柔性直流輸電中壓接型和焊接式兩種不同封裝形式的IGBT開展功率循環(huán)測試，zui多可實(shí)現(xiàn)12個(gè)IGBT器件的同時(shí)測試。電流等級(jí)、波形參數(shù)、壓力均獨(dú)立可調(diào)，功率循環(huán)周期為秒級(jí)，極限測試能力可達(dá) 300 ms，zui高壓力達(dá)220 kN，虛擬結(jié)溫測量精度達(dá)±1°C，導(dǎo)通壓降測量精度達(dá)±2mV。高溫柵偏測試裝備可實(shí)現(xiàn)漏電流和閾值電壓的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，zui多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)IGBT器件的同時(shí)測試。

4. 壓接器件內(nèi)部并聯(lián)多芯片電流及結(jié)溫測量方法及實(shí)現(xiàn)

高壓大功率壓接型IGBT器件內(nèi)部芯片瞬態(tài)電流及結(jié)溫測量是器件多物理量均衡調(diào)控及狀態(tài)監(jiān)測的基本手段，針對(duì)器件內(nèi)部密閉封裝以及密集分布鄰近支路引起的干擾問題，提出了PCB羅氏線圈互電感的等效計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了任意形狀PCB羅氏線圈繞線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了針對(duì)器件電流測量的方形PCB羅氏線圈（如圖5所示），實(shí)現(xiàn)臨近芯片電流造成的測量誤差小于1%；針對(duì)器件內(nèi)部多芯片并聯(lián)芯片結(jié)溫測量，提出了壓接型IGBT器件結(jié)溫分布測量的時(shí)序溫敏電參數(shù)法，通過各芯片柵極的時(shí)序單獨(dú)控制（如圖6所示），在各周期分別進(jìn)行單顆IGBT芯片結(jié)溫的測量，進(jìn)而等效獲得一個(gè)周期內(nèi)各IGBT芯片的結(jié)溫分布。在此基礎(chǔ)上，完成了集成于高壓大功率器件內(nèi)部的多芯片并聯(lián)電流測試PCB羅氏線圈以及時(shí)序溫敏電參數(shù)測量驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)（如圖7所示）。

5. 自主研制高壓大功率電力電子器件

面向電力系統(tǒng)用高壓大功率電力電子器件自主研制的需求，開展了芯片建模與篩選、芯片并聯(lián)電流均衡調(diào)控、封裝絕緣特性及電場建模以及器件多物理場調(diào)控等方面工作，相關(guān)成果支撐了國家電網(wǎng)公司全球能源互聯(lián)網(wǎng)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，并通過柔直換流閥用器件的應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也支撐了世界shou個(gè)18kV 壓接型SiC IGBT器件的自主研制。