【专栏推荐】高压大功率IGBT及应用技术专栏

编者按：高压直流输电技术的革新与换代，其主要推动力来自换流阀核心元器件的重大发展与变化。从基于汞弧阀的第一代直流输电技术到基于晶闸管的第二代直流输电技术，再到基于可关断器件的第三代直流输电技术即柔性直流输电技术的发展，核心功率半导体器件起到了决定性作用。柔性直流输电技术是当今电网科技领域具有革命性和挑战性的一项新技术，在新能源消纳和智能电网建设中具有广阔的应用前景。当前中国柔性直流输电技术已处于世界领先水平，但核心功率半导体器件IGBT依旧被国外跨国公司所垄断，价格高，供货周期长，导致柔性直流输电工程造价昂贵，工程进度难以掌控，严重制约中国柔性直流输电技术的研发、应用与推广，亟待加快开展国产化高压大功率IGBT器件的关键技术研究、器件研制与推广应用。为展示该领域在国内的最新进展，交流学术和技术成果，《中国电力》编辑部特邀全球能源互联网研究院有限公司原院长、教授级高级工程师邱宇峰，全球能源互联网研究院有限公司 功率半导体研究所副所长金锐博士为特约主编，邀请相关专家和研究机构特约撰稿，组织“高压大功率IGBT及应用技术”专题。专栏于2020年12期刊出，共计7篇文章。本期公众号将专栏文章进行汇编，以飨读者！

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01

作者：邓真宇, 陈民铀, 赖伟, 李辉, 王晓, 李金元, 杜耀婷

单位：重庆大学 电气工程学院; 全球能源互联网研究院有限公司; 国网重庆市电力公司南岸供电分公司

摘要：多芯片并联的压接式IGBT器件是柔性直流输电设备中的关键部件，因制造工艺、回路寄生参数和热耦合问题使得器件内部应力分布不均，造成器件不均匀老化，使得内部温度不均程度加剧，进而使得电流分配不均。围绕不同温度差异下导致的电流分布不均问题展开研究。首先，对造成IGBT器件并联不均流的原因以及温度对不均流特性的作用进行分析。然后，利用单芯片压接式IGBT器件并联模拟多芯片器件内部的温度分布不均情况，进行温度分布不均匀程度对电流分配影响的实验。最后，通过实验验证并联器件间温度差异与不均流程度的关系。所提方法为提高器件的运行可靠性和对压接式IGBT失效机理认知奠定基础。

作者：王延浩, 邓二平, 黄永章

单位：新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）; 华电（烟台）功率半导体技术研究院有限公司

摘要：户外工况下，功率器件寿命受高湿环境中的水汽侵蚀缩短。用于考核湿度可靠性的传统高温高湿反偏测试最大值80V偏压已不能满足高压大功率器件加速老化测试需求，高温高湿高压反偏测试（high-voltage high humidity high temperature reverse bias test, HV-H3TRB）近年来得以开展。然而，相关研究进展慢、存在的关键问题不明等使得研究发展方向不甚明朗。首先从基本原理出发，详细论述水汽侵入功率器件、腐蚀芯片表面的机理。进一步地，针对研究对象与方法、器件失效分析、电气量老化特征等3个方面对已有研究现状进行论述与总结。最后，根据老化前后器件结构变化，总结芯片层终端、钝化层、封装材料的抗湿优化设计，并指出相关研究后续发展方向。

作者：李立, 王耀华, 高明超, 刘江, 金锐

单位：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

摘要：为提升IGBT单芯片的电流密度，掌握高压沟槽栅IGBT技术，进行4500 V沟槽栅IGBT芯片的研制。使用TCAD仿真软件，对4500 V沟槽栅IGBT的衬底材料、载流子储存层设计、沟槽宽度、沟槽深度、假栅结构等方面进行研究和仿真分析，明确各方面设计与芯片性能的关系。根据总体设计目标，确定相应的芯片结构和工艺参数，并对4500 V沟槽栅IGBT芯片进行流片验证。验证结果显示：4500 V沟槽栅IGBT芯片的测试结果符合设计预期，芯片的额定电流、导通压降、开通损耗和关断损耗等关键参数相比平面栅IGBT芯片有明显优化。

作者：韩鲁斌, 梁琳, 康勇

单位：华中科技大学 电气与电子工程学院（电力电子与能量管理教育部重点实验室）

摘要：在刚性压接型IGBT模块中，并联芯片的压力分布直接决定了接触热阻和接触电阻的大小。通常无法测量器件正常工作时的压力分布及其引起的热阻分布。为了分析压接IGBT模块内部各子模组的压力分布情况和热阻分布情况，提出一种利用器件特性和热阻实验测量压接IGBT模块并联子模组热阻分布的方法。在此方法基础上，详细研究不同压力和电流条件下的热阻分布。实验结果表明，由于外部压力、器件特性和连接导体的差异，压接IGBT模块内部并联子模组间的结温、电流和热阻分布具有很大的分散性。提出的测量方法可以有效验证压接IGBT模块在一定封装条件下的结温、热阻和压力分布特性。

05

作者：毛塬, 李学宝, 顼佳宇, 赵志斌, 崔翔

单位：新能源电力系统国家重点实验室 华北电力大学

摘要：有机硅凝胶材料作为IGBT器件封装用绝缘材料，在器件的运行工况下，器件承受着重复性导通关断电压，对应频谱宽，且器件损耗将引起温度升高。为了能够准确分析器件内部电场特性，运用频域介电谱技术对有机硅凝胶在宽频、宽温度范围内的介电特性进行研究，利用叉指电极，实现对有机硅凝胶在不同温度下的宽频介电谱测试。采用Cole-Cole介电模型对实验数据进行拟合，并分析温度对Cole-Cole模型特征参量的影响规律。研究结果表明：频率和温度对有机硅凝胶的介电特性均有较大影响，在低频高温下，有机硅凝胶材料相对复介电常数的实部、虚部都显著增加。在所提取的Cole-Cole介电模型的特征参量中，直流电导率σ0及特征参量Δε1与温度之间的关系都满足Arrhenius方程，热活化能分别为0.233 eV与0.691 eV；弛豫时间τ1和τ2随温度的变化规律有所不同，但在高温时都明显增加。对半导体器件封装用有机硅凝胶材料介电特性的认知可以为器件内部电场分析和绝缘设计提供基础数据支撑。

06

IGBT模块的热设计概述

作者：刘国友, 王彦刚, 罗海辉, 齐放, 李想, 吴义伯

单位：新型功率半导体器件国家重点实验室; 株洲中车时代电气半导体有限公司; Dynex半导体有限公司

摘要：对IGBT模块的热特性和热设计进行概述，介绍IGBT模块的热阻抗网络模型及其与封装材料热性能及尺寸的关系；从芯片和模块封装材料、结构等方面讨论模块的热设计要点，并阐述传统IGBT模块及新型压接式IGBT模块的热设计。

07

大功率压接型IGBT器件中的机械应力研究

作者：唐新灵, 林仲康, 张西子, 燕树民, 苏冰, 王亮, 韩荣刚, 石浩

单位：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）; 国网山东省电力公司德州供电公司

摘要：机械应力是影响高压大功率压接型IGBT器件电气特性、热特性以及可靠性的关键因素之一。首先，从芯片与封装结构设计的角度，介绍单芯片以及多芯片并联机械压力分布均衡特性的研究现状及其关键设计技术。其次，从封装工艺的角度，分别对比弹性压接、刚性压接等不同焊接形式对芯片机械应力分布的影响规律。最后，结合压接封装结构特点，基于一种新型芯片终端结构，提出一种新型封装技术方案，可以有效提升单芯片以及并联芯片压力的均衡特性，为高压大容量压接型IGBT器件的设计提供参考依据。

引文信息

邓真宇, 陈民铀, 赖伟, 等. 多芯片并联压接式IGBT中温度不均对电流分布的影响[J]. 中国电力, 2020, 53(12): 10-17.

DENG Zhenyu, CHEN Minyou, LAI Wei, et al. Influence of uneventemperature on current distribution in paralleled multi-chips press pack igbt[J]. Electric Power, 2020, 53(12): 10-17.

延浩, 邓二平, 黄永章. 功率器件高温高湿高压反偏测试研究综述[J]. 中国电力, 2020, 53(12): 18-29.

WANG YanHao, DENG Erping, HUANG Yongzhang. A review of reverse bias test for power device in high temperature, high humidity and high voltage conditions[J]. Electric Power, 2020, 53(12): 18-29.

李立, 王耀华, 高明超, 等. 4 500 V沟槽栅IGBT芯片的设计与研制[J]. 中国电力, 2020, 53(12): 30-36.

LI Li, WANG Yaohua, GAO Mingchao, et al. Design and development of 4500 v trench gate igbt[J]. Electric Power, 2020, 53(12): 30-36.

韩鲁斌, 梁琳, 康勇. 压接IGBT器件并联子模组热阻分布实验研究[J]. 中国电力, 2020, 53(12): 37-44.

HAN Lubin, LIANG Lin, KANG Yong. Thermal resistance distribution experiment of parallel sub-module in press-pack igbt device[J]. Electric Power, 2020, 53(12): 37-44.

毛塬, 李学宝, 顼佳宇, 等. IGBT器件封装用有机硅凝胶宽频介电特性与温度影响[J]. 中国电力, 2020, 53(12): 45-54.

MAO Yuan, LI Xuebao, XU Jiayu, et al. Broadband dielectric properties and temperature effects of silicone gel for igbt device encapsulation[J]. Electric Power, 2020, 53(12): 45-54.

刘国友, 王彦刚, 罗海辉, 等. IGBT模块的热设计概述[J]. 中国电力, 2020, 53(12): 55-61, 74.

LIU Guoyou, WANG Yangang, LUO Haihui, et al. A review of thermal design for igbt module[J]. Electric Power, 2020, 53(12): 55-61, 74.

唐新灵, 林仲康, 张西子, 等. 大功率压接型IGBT器件中的机械应力研究[J]. 中国电力, 2020, 53(12): 62-74.

TANG Xinling, LIN Zhongkang, ZHANG Xizi, et al. Mechanical stress analysis in high power press pack igbt[J]. Electric Power, 2020, 53(12): 62-74.

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：许晓艳

审定：方彤

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