华北电力大学科研人员提出并联IGBT芯片稳态结温的均衡方法

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为满足高压柔性装备的功率需求，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）芯片常被大规模并联使用。而芯片并联回路寄生电感、热阻等封装参数的差异，会引起并联芯片的稳态结温分布不均。若器件长期工作在此环境下，不仅会影响封装材料的使用寿命和绝缘材料的绝缘性能，也会加速芯片的老化。工程中往往采用降额运行的方法，以减小并联芯片稳态结温不均对柔性装备的危害，导致器件性能没有得到充分发挥。因此，并联IGBT芯片的稳态结温分布不均，已经成为了高压柔性装备功率密度和可靠性提升亟待解决的关键问题。

目前，国内外学者针对器件内部并联芯片的稳态结温开展了大量理论和实验工作。2020年，华北电力大学的Zhang Yiming等提出了时序电参数法，研究了压接型IGBT器件内部芯片的稳态的结温分布。研究表明，在低频换相时，影响器件内部稳态结温分布的主要因素是芯片通态管压降和各芯片散热支路的热阻。

与低频工况不同，当IGBT器件工作在中高频工况时，随着器件工作频率的升高，影响并联IGBT芯片换相损耗的关键参数变为芯片各支路的发射极寄生电感和封装热阻。在实际换相运行中，器件的发射极寄生电感和封装热阻共同决定了并联IGBT芯片的稳态结温分布。

但由于并联IGBT芯片复杂的损耗特性，且受限于测量手段，大部分学者通常采用仿真的方法研究中高频工况下并联IGBT芯片的稳态结温分布问题，电热耦合模型被广泛地应用于IGBT器件的换相过程分析。但是，器件的换相过程在微秒时间尺度，而器件的热时间常数则为几秒甚至十几秒。器件热时间常数随其功率等级的不断增加，瞬态电热模型存在效率低、计算速度慢的问题，浪费了大量计算资源。

此外，在中高频工况下，并联芯片结温分布不均带来的危害也更大。一方面，并联芯片电流分配不均会危害到器件的安全工作区，导致器件的过电流失效；另一方面，电流不均引起的损耗差异，会导致并联芯片的稳态结温不同，限制器件的最大工作电流，从而降低器件的功率密度与短路电流承受能力。所以，在器件封装设计时应权衡考虑并联器件的电流均衡和温度均衡问题。

为实现并联IGBT芯片的稳态结温的均衡调控，并改善瞬态电热仿真方法计算速度慢的问题，新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司）的研究人员范迦羽、郑飞麟、王耀华、李学宝、崔翔，在2022年第12期《电工技术学报》上撰文，研究了计及热阻与发射极寄生电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡的调控方法。

图1 并联IGBT芯片的等效热阻网络

在本课题中研究人员建立了并联IGBT芯片的电热模型，研究了并联芯片结温、发射极寄生电感与并联芯片动态损耗的关系。提出并联芯片的动态损耗拟合公式，公式计算结果与模型结果的误差小于3%，具有很好的有效性。

他们还发现了了IGBT芯片的封装热阻、发射极寄生电感对并联芯片稳态结温的影响规律。结果表明，发射极寄生电感对并联芯片间的最高稳态结温影响较小，但当并联芯片封装热阻不同时，发射极寄生电感引起的动态不均流会恶化并联芯片的稳态结温分布，导致并联芯片间的最高结温大幅增加，进而限制并联芯片的安全工作区。

此外，科研人员指出，本次研究中提出的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法，可根据不同结温下并联IGBT芯片的动态损耗，通过联立方程组得到匹配的热阻和电感参数，实现了并联芯片稳态结温均衡。由于所提方法不考虑芯片升温过程及热容参数的影响，从而避免了复杂的IGBT瞬态电热耦合计算。

本文编自2022年第12期《电工技术学报》，论文标题为“计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法”。本课题得到了国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金的支持。

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