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    電子論文

    高壓IGBT芯片換流運行的熱穩定性分析

    時間:2021年09月15日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

    摘要:為保證高壓絕緣柵雙極型晶體管(nsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件換流運行時的熱穩定性,需要根據IGBT芯片的電熱特性和器件的散熱設計,確定芯片運行的熱穩定工作區,從而指導器件的運行條件控制。雖然針對芯片動靜態損耗的熱穩定性分析已經發

      摘要:為保證高壓絕緣柵雙極型晶體管(nsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件換流運行時的熱穩定性,需要根據IGBT芯片的電熱特性和器件的散熱設計,確定芯片運行的熱穩定工作區,從而指導器件的運行條件控制。雖然針對芯片動靜態損耗的熱穩定性分析已經發展了許多年,但目前針對高壓芯片的相關研究還較少。首先,通過實驗測量了3.3kV非穿通(NonPunchThrough,NPT)型和場截止(FieldStop,FS)型IGBT芯片的動靜態特性,獲得并分析了溫度、電流及電壓對動靜態損耗特性的影響規律。在此基礎上,給出了IGBT芯片的損耗擬合公式,通過對器件內部的熱反饋過程進行分析,提出了具有解析形式且包含占空比、換流頻率及電壓電流等器件運行工況的IGBT芯片的熱穩定性判據。根據本文所提的判據,分析了高壓NPT型和FS型IGBT芯片的換流運行的熱穩定性,可方便確定IGBT芯片在不同的換流條件下的最大工作頻率和最大工作電流,簡化了高壓IGBT芯片的熱穩定性分析,并可為高壓器件的選型和損耗評估提供依據。

      關鍵詞:高壓IGBT芯片;熱穩定性;換流運行

    芯片制造論文

      引言

      絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件因其低損耗和全控特性,已經在柔性電力電子裝備中得到了廣泛應用[1][2]。幾十年來,IGBT已經發展出了穿通型(PunchThrough,PT),非穿通型(NonPunchThrough,NPT)和場截止型(FieldStop,FS)三種不同結構的芯片[3]。不同IGBT器件因其芯片結構、參數和封裝設計的差異具有不同的損耗特性。

      因此,在實際應用中,選擇滿足工程要求的IGBT器件是非常重要的。在IGBT器件的換流運行工況下,為了保證器件換流過程中的熱穩定性,需要根據IGBT器件內并聯芯片損耗的電熱特性和器件的散熱設計,確定芯片穩定運行的工作區域[4]。然而,芯片在實際工況中損耗的電熱特性與電力電子裝備的拓撲設計和組件結構直接相關,無法從數據手冊中獲得[5]。

      隨著柔性電力電子裝備功率等級的提升,裝備和器件的損耗不斷增加,器件及其內部規;⒙撔酒臒岵环定性問題在高壓大功率應用中的影響已經不可忽視。但目前針對高壓芯片的相關研究還較少,為此,需要開展高壓芯片的熱穩定性分析,以指導器件的研制、選型及運行條件控制。 芯片的熱穩定性分析是半導體器件領域基本但又重要的分析方法。1993年,法國的S.Lefebvre研究了零電流開關(eroCurrentSwitching,ZCS)換流條件下PT型IGBT芯片和NPT型IGBT芯片的動態損耗特性[6][7]。

      研究表明,NPT型芯片的關斷損耗雖比PT型芯片更高,但NPT型IGBT芯片在運行中有更寬的穩定工作區域。1994年,S.Rael和Ch.Schaeffer提出了一種解析的損耗公式,對比分析了不同型號IGBT芯片的熱穩定性[8]。文獻[8]中所提的解析損耗公式雖然簡化了熱穩定性的分析,但是公式主要針對于中低壓器件,且其計算的損耗結果與實驗相比有較大的誤差。之后,盛況等人在2000年研究了不同換流電路拓撲對芯片電熱特性和熱穩定性的影響[5]。

      隨著器件性能的不斷發展,ABB公司的R.Schnell和U.Schlapbach提出,阻斷狀態下芯片漏電流引起的熱不穩定限制了功率芯片的最高工作溫度,這一現象也需關注[4][9]。2015年,不萊梅大學的C.Bödeker等研究了1700VSiC二極管在高頻換流情況下的熱穩定特性[10]。目前,熱穩定性分析領域大多數工作關注中低壓芯片,但是芯片在高壓大功率應用中的經濟性和安全穩定工作卻面臨著更嚴峻的挑戰。

      為了滿足高壓直流輸電(HighVoltageDirectCurrent,HVDC)的需要,IGBT芯片的最高電壓等級已經達到了6.5kV[11][12]。一方面,在柔性電力系統中,高壓IGBT器件的穩定安全運行至關重要。熱穩定性分析不僅限制了單支IGBT芯片可工作的最高頻率和最大電流,也間接決定了裝備中器件的串并聯數量。另一方面,對于柔性電力電子裝備,因其處于長期運行狀態,高壓芯片的損耗也會大幅增加。因此對于裝備設計者而言,過多的芯片冗余在經濟性上是不可接受的[13][14]。

      考慮到芯片的結溫與損耗在實際工況中是隨工作頻率變化的,因此,熱穩定性分析可以為器件的損耗評估提供更直接的參考。所以,高壓芯片的熱穩定性分析對HVDC工程非常重要。并且,目前柔性電力電子裝備用高壓大功率IGBT器件主要使用的是NPT型和FS型IGBT芯片,目前文獻對NPT型IGBT芯片雖開展了一些熱穩定性研究,但還未見FS型IGBT芯片相關的研究報道。因此,從器件選型的角度,也有必要對FS型IGBT芯片的熱穩定特性展開分析。

      本文首先介紹了高壓IGBT芯片及其動靜態特性測試平臺。其次,根據芯片的動靜態損耗結果,本文提出了損耗的解析公式,并推導了芯片熱穩定性的判據。最后,通過對比分析高壓NPT型和FS型IGBT芯片的熱穩定特性,得到了換流運行下兩類高壓IGBT芯片的最高工作頻率和最大工作電流,并針對不同頻率的應用場景提出了器件選型和損耗評估的建議。IGBT芯片與動靜態特性測試平臺IGBT芯片在換流運行中會產生動靜態損耗導致芯片結溫升高,當芯片結溫過高時,會進而引發熱不穩定性等問題。并且,IGBT芯片的動靜態損耗受芯片的換流條件(負載電流,阻斷電壓)和芯片結溫的影響。因此,為研究IGBT芯片的熱穩定性,需要首先研究IGBT芯片的動靜態損耗的電熱特性。

      1.1NPT型和FS型高壓IGBT芯片

      高壓NPT型和FS型IGBT芯片在設計上有許多區別,其中最典型的就是IGBT芯片摻雜濃度的不同。以本文中研究的高壓NPT型和FS型IGBT芯片為例。

      相比于NPT型IGBT芯片,FS型IGBT的芯片結構中增加了場截止層。因此,NPT型IGBT芯片內部的電場分布呈三角形,而FS型IGBT芯片內的電場分布則近似為梯形。FS型IGBT芯片內部的場截止層不僅改變了芯片內電場分布,同時還使得FS型IGBT芯片具有更小芯片寬度,使之可以有更小的通態管壓降。

      IGBT芯片參數對芯片損耗等外特性的影響是復雜的,所以,在IGBT芯片設計中,往往需要根據工程中器件的應用需求,對芯片的動靜態損耗等性能進行權衡。即使同類型的芯片,其動靜態特性也會有差異。而對于換流閥工況而言,芯片的動靜態損耗特性和器件的散熱設計直接決定了芯片穩定工作的區域。因此,開展IGBT芯片熱穩定性的分析,需首先測量芯片的動靜態損耗特性。

      1.2IGBT芯片動靜態特性測試平臺

      為了研究高壓IGBT芯片的動靜態損耗特性,本文選擇了額定3.3kV/50A的NPT型IGBT芯片,和3.3kV/62.5A的FS型IGBT芯片作為被測對象(DeviceUnderTest,DUT)。NPT型和FS型IGBT芯片是高壓柔性電力電子裝備中主要使用的芯片,其動靜態特性的研究結果也可以為高壓IGBT器件的選型提供參考。

      IGBT芯片被固定在加熱板上,以此調控芯片的結溫。同時,電流探頭和電壓探頭分別測量芯片的集電極電流和集電極電壓ce。σ是靜態平臺直流母排和連接導線的寄生電阻。當設置直流電源gg的輸出電壓為15V時,直流電壓源cc輸出的脈沖電壓信號會在芯片的集電極發射極回路產其中平臺的寄生電感σ約為0.3μ,負載電感為1mH,柵極電阻為20Ω。直流電容器通過直流電源充電,并為IGBT芯片提供反向阻斷電壓。IGBT芯片的集電極電流可通過柵極脈沖信號的脈寬調控,芯片結溫可通過固定芯片的加熱板調控。利用動靜態特性測試平臺,可以研究芯片在不同結溫、負載電流和阻斷電壓下的動靜態損耗。

      2高壓IGBT芯片的損耗特性

      2.1IGBT芯片的靜態損耗特性考慮到芯片在換流運行時可在25℃至125℃的范圍內工作,因此需要研究不同溫度下IGBT芯片的靜態特性。IGBT芯片的最大工作電流會隨著芯片工作頻率的增加而減小。對于NPT型IGBT芯片,當工作頻率為500Hz時,芯片的最大工作電流為48;當工作頻率升高至2kHz時,芯片的最大工作電流減小為28A。當工作頻率達到3kHz時,NPT型IGBT芯片的最大工作電流為22A,而FS型IGBT芯片的最大工作電流僅為20A。

      可見,雖然FS型IGBT芯片具有更高的額定電壓,但是由于芯片熱穩定性的限制,NPT型IGBT芯片在中頻工況下具有更寬的穩定工作區。 當工作頻率超過1.3kHz時,NPT型IGBT芯片便無法工作在額定電流下。同時,在芯片負載電流為30A時,由于動態損耗的減小,芯片的最大工作頻率可以達到2.6kHz。

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      結論

      本文主要針對高壓IGBT芯片在換流運行中的熱穩定性開展了分析,并以3.3kV高壓NPT型和FS型IGBT芯片為例,對比分析了不同芯片在高壓直流輸電工程應用中的損耗特性和穩定工作區域。主要結論如下:

      (1)實驗研究了NPT型和FS型IGBT芯片不同溫度下的動靜態損耗特性與電壓、電流的關系。結果表明,在相同換流條件下,高壓FS型IGBT芯片具有更低的靜態損耗,高壓NPT型IGBT芯片具有更低的動態損耗。(2)提出了高壓IGBT芯片的損耗擬合公式,推導了IGBT芯片的熱穩定性判據。解析的擬合公式不僅與實驗結果有很好的一致性,同時也簡化了高壓IGBT芯片的熱穩定性分析。(3)分析了高壓IGBT芯片的熱穩定特性,研究了高壓IGBT芯片在不同換流工況下的穩定工作區域。得到了高壓IGBT芯片在不同工作頻率下的最大工作電流,為高壓直流輸電工程應用中的器件的選型與損耗評估提供了參考。

      參考文獻:

      [1]TANGong,CHENMin,JIAGuanlong,etal.TopologyofurrentlimitingandnergytransferringDCircuitreakerforistributionetworks[J].CSEEJournalofPowerandEnergySystems,2020,6(2):298306.

      [2]SUNJian,LIMingjie,ZHANGZhigang,etal.RenewableenergytransmissionbyHVDCacrossthecontinent:systemchallengesandopportunities[J].CSEEJournalofPowerandEnergySystems,2017,3(4):353364.

      [3]PFAFFENLEHNERM,BIERMANNJ,SCHAEFFERC,etal.New3300VchipgenerationwithatrenchIGBT andanoptimizedfieldstopconceptwithasmoothswitchingbehavior[C].ProceedingsofInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&ICs,Kitakyushu,Japan,2004:pp.107110.

      [4]SCHLAPBACHU,RAHIMOM,ARXC,etal.1200VIGBTsoperatingat200℃?Aninvestigationonthepotentialsandthedesignconstraints[C].ProceedingsofInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandIC's,Jeju,Korea,2007:912.

      [5]SHENGKuang,FINNEYSJ,WILLIAMSBW.ThermalstabilityofIGBThighfrequencyoperation[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2000,47(1):16.

      [6]LEFEBVRES,FORESTF,CHANTEP.MaximumswitchingfrequencychoiceforIGBTusedinZCSmode[C]roceedingsofFifthEuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications,Beighton,UK1993:356361.

      作者:范迦羽1,鄭飛麟1,和峰2,王耀華2,彭程1,李學寶1,崔翔1

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