学术简报︱内部压力不均对压接式IGBT器件电热特性的影响分析

摘要

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学） 、全球能源互联网研究院的研究人员周静、康升扬、李辉、姚然、李金元，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文指出，大规模多芯内部并联的压接式IGBT（PPI）器件是柔性直流输电装备的关键部件，针对器件设计和工艺等因素可能导致并联芯片内部压力不均、压接式封装结构难以直接提取内部压力不均状况及其影响的问题，提出一种基于单芯压接式器件并联，模拟研究多芯器件内部压力不均影响的方法。

首先，基于压力对单芯器件的影响规律，建立两个独立PPI器件并联的有限元模型，模拟分析不同压力对多芯并联器件电热特性的影响。然后，建立两个单芯PPI器件并联运行的模拟实验平台，验证并联仿真模型的有效性。最后，将并联模型拓展至3 300V/1 500A实际PPI模块的特性仿真，分析了多芯并联模组内部压力不均对电热特性的影响规律。

结果表明，内部压力不均影响多芯并联器件内部的电、热特性分布，其中压力对热阻的影响是器件温度分布的决定性因素，而且随着压力不均程度的增加，芯片间的电热特性差异更明显。压力不均导致的温度差异随着老化程度的增加而增加，并将进一步加速芯片老化，严重影响器件的可靠性。

压接式IGBT（Press Pack IGBT, PPI）由于其双面散热、高可靠性和失效短路模式等优点，相比于传统焊接式IGBT更适合于高压串联系统。为了适应更高电流等级，通常将多个IGBT芯片并联封装使用，而此时其电流和温度分布的均匀性尤为重要。

压接器件的接触电阻、接触热阻与压力直接相关，但由于靠外部压力将各部件紧密连接，因此很难保证器件内部压力分布的均匀性，从而影响了器件内部电流和温度的分布，进而影响器件的可靠性。因此，能够准确探究压力不均对器件内部电热分布的影响规律，对于多芯器件可靠性的分析具有重要意义。

国内外学者针对该问题进行了大量研究。首先，针对PPI器件的压力特性进行了较为深入的研究。

• 有学者通过实验和仿真手段研究了模块外部整体施压情况下压接封装模块内部压力的分布规律。

• 有学者通过建立有限元模型，分析了在PPI铜极的不同部位施压对器件内部压力分布造成的影响。

• 有学者仿真分析了PPI器件功率热循环实验前后，单芯片与多芯片模块内部的压力分布变化。

其次，针对压力不均对PPI器件特性的影响开展了进一步研究。

• 有学者仿真研究了压接模块外部夹具的施压方式对器件内部压力、温度、电流分布造成的影响。

• 有学者通过建立的电热耦合模型，分析了不同的施压条件下，如外部施压不均匀、内部芯片厚度不均匀以及理想情况下，压接模块稳态时电热力的分布情况。

以上研究一方面证实了PPI实际模块中存在严重的压力不均问题；另一方面，通过有限元建模仿真方法分析了PPI器件内部压力不均引起的电热特性变化，并取得了初步成效。但是，针对并联多芯PPI器件的内部压力分布不均的程度及其对电热特性影响的关联性的量化分析还不充分，对评估实际PPI模块的工作状态欠缺理论与实验支撑。

实际应用中，多芯PPI的封装结构使得直接提取模块内部每个芯片所承受的压力及压力不均对电热特性的影响难于实现。因此，本文着眼于PPI特有的压力条件，提出利用承受不同压力的单芯器件并联来模拟研究多芯器件内部压力不均的方法，深入研究压力分布不均带来的影响。

本文首先在探究压力和温度对单芯器件特性影响规律的基础上，以两个不同压力下的单芯器件并联为例，建立并联仿真模型，分析不同压力下芯片并联时的电热分布特性，以及电加热过程中电热分布的变化规律；进一步建立两个单芯器件并联运行的实验平台，测试与模拟仿真相同条件下的实验结果，证明仿真模型的有效性；最后，将所得并联仿真模型应用于实际3 300V/1 500A的多芯PPI模块的仿真分析，研究压力不均对于实际模块的电热特性的影响。

图9  并联实验原理和平台

总结

本文针对多芯并联PPI模块内部压力不均的实际应用工况，重点研究了压力对实际模块内部电热特性的影响。为此，本文根据实际实验条件下的单芯PPI特性，建立了并联PPI仿真模型，并通过实验验证了模型的有效性。将所建模型应用于柔性直流输电系统中典型的3300V/1500A PPI模块的电热特性仿真研究中，得到了以下结论：

• 1）通过实验验证了采用两个独立PPI芯片并联模拟多芯并联PPI模块的建模方法是有效的，这种提取局部模型进行实验验证的方法适用于不同工况和封装条件下的多芯压接模块仿真模型的证明。

• 2）压接式IGBT器件的内部压力分布直接影响芯片接触电阻、接触热阻，从而影响多芯并联时的电流分配和温度分布。压力不均导致接触热阻的差异对多芯并联PPI的温度分布起主要作用。

• 3）压力不均会导致PPI模块内电流和温度分布存在差异性，这些差异使模块局部老化加剧，进而导致模块内电热特性进一步恶化，使器件局部热失效和电击穿的风险同时增加。

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