王 昭，劉曜寧

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高壓IGBT模塊局部放電研究現(xiàn)狀

王 昭，劉曜寧

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710018）

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模塊一直朝著更高耐壓和更大電流密度的方向發(fā)展，因模塊內(nèi)部電氣絕緣和局部放電引起的問(wèn)題也越來(lái)越明顯。在高電壓IGBT模塊封裝中，通常使用硅凝膠和環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)對(duì)模塊進(jìn)行灌注和密封，以滿足其高電場(chǎng)承受能力，提升整個(gè)模塊的絕緣性能和局部放電表現(xiàn)。目前很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在這方面進(jìn)行一系列研究，主要目的在于優(yōu)化IGBT模塊內(nèi)部的電場(chǎng)分布。本文重點(diǎn)介紹目前研究的幾種可以改善IGBT內(nèi)部電場(chǎng)分布狀態(tài)的方法，并對(duì)局部放電可靠性的提升方法進(jìn)行總結(jié)。

IGBT模塊；電氣絕緣；綜述；局部放電；高壓；封裝

局部放電，是絕緣介質(zhì)中的一種氣體放電，足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但是放電限制在介質(zhì)中的部分區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道，這種放電現(xiàn)象被稱為局部放電。絕緣介質(zhì)中的某些薄弱部位在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的現(xiàn)象。雖然局部放電一般不會(huì)引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導(dǎo)致電介質(zhì)的局部損壞（尤其是有機(jī)介質(zhì)中）。若局部放電長(zhǎng)期存在，在一定條件下會(huì)導(dǎo)致絕緣劣化甚至擊穿。對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，不僅能夠了解設(shè)備的絕緣狀況，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)許多有關(guān)制造與安裝方面的問(wèn)題，確定絕緣故障的原因和嚴(yán)重程度[1]。

近些年來(lái)，在電力電子器件封裝方面人們?nèi)〉昧司薮筮M(jìn)步，基于IGBT器件的變流器擁有更高的開(kāi)關(guān)頻率和簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路，已經(jīng)在鐵路應(yīng)用領(lǐng)域基本取代了傳統(tǒng)的GTO器件。IGBT器件的主要架構(gòu)是將芯片焊接在覆銅陶瓷基板（DBC）上，最后再將DBC焊接在與散熱器連接的底板上。陶瓷基板的陶瓷一般采用氧化鋁（Al2O3）或氮化鋁（AlN）材質(zhì)，因?yàn)樗麄兌紦碛辛己玫膶?dǎo)熱性和很高的電氣絕緣能力。芯片的電極通過(guò)鋁線鍵合引出到DBC上，然后外部電極直接從DBC上通過(guò)焊接方式引出。這個(gè)架構(gòu)安裝外殼后，被注入一種介質(zhì)膠體起保護(hù)緩沖作用，并保證器件的絕緣和抑制局部放電的產(chǎn)生，封裝的最后使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行密封。模塊通過(guò)內(nèi)部的PCB板連接到驅(qū)動(dòng)電路上。

由此可知，IGBT模塊中有三個(gè)主要的介電系統(tǒng)，一是陶瓷基板，使用氧化鋁（Al2O3）或氮化鋁（AlN）（高壓通常使用AlN）；二是封裝用的硅膠（Silicone gel），其作用是防止模塊局部放電或擊穿；三是前面兩個(gè)介質(zhì)的界面處。因此，IGBT模塊也可以看作是介質(zhì)材料的積累，同樣可以用局部放電的情況來(lái)衡量其介質(zhì)可靠性。局部放電現(xiàn)象通常發(fā)生在絕緣材料的缺陷孔洞處，當(dāng)施加電壓超過(guò)一定閾值時(shí)，由于電場(chǎng)的不均勻分布，引起介質(zhì)發(fā)生擊穿和放電現(xiàn)象。局部放電會(huì)引起燒蝕、溫升或臭氧和氮氧化物產(chǎn)生，會(huì)降低介質(zhì)材料的壽命，最終影響IGBT器件的使用壽命[2-6]。

高壓IGBT模塊的電壓等級(jí)已達(dá)到6.5 kV，隨之而來(lái)的是對(duì)模塊絕緣和局部放電性能更高的要求。然而目前人們通過(guò)對(duì)上述主要的陶瓷介質(zhì)和硅膠介質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)絕緣和局部放電影響最大的因素就是覆銅陶瓷基板（DBC），陶瓷介質(zhì)的選擇直接影響了器件的絕緣和耐壓等級(jí)，所以高壓條件下首先須保證DBC的絕緣和老化表現(xiàn)。其次就是硅膠介質(zhì)，通常使用硅膠對(duì)IGBT模塊進(jìn)行電氣絕緣保護(hù)，主要是因?yàn)樗鼡碛辛己玫膶?dǎo)熱、機(jī)械和電學(xué)性能。

人們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，IGBT模塊內(nèi)部電場(chǎng)分布并不均勻，局部電場(chǎng)過(guò)高就可能會(huì)引起器件發(fā)生局部放電，對(duì)絕緣介質(zhì)的屬性造成損害，最終可能導(dǎo)致器件絕緣失效，降低器件的使用可靠性。因此，IGBT模塊內(nèi)部局部電場(chǎng)過(guò)高已成為導(dǎo)致局部放電或擊穿發(fā)生的重要原因之一[7-10]。本文主要對(duì)引起局部放電的因素進(jìn)行展開(kāi)，分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的源頭，并分析總結(jié)了人們研究的幾種可以改善模塊局部放電的途徑和方法。

1 測(cè)試方法

1.1 絕緣和局部放電測(cè)試

絕緣是測(cè)試IGBT模塊的絕緣耐壓能力，局部放電是測(cè)試模塊內(nèi)部是否有氣泡、氣縫或是硅膠中是否有雜質(zhì)等。

圖1為IEC 1287標(biāo)準(zhǔn)中定義的電氣絕緣和局部放電測(cè)試循環(huán)示意圖[11]。其中，絕緣測(cè)試的測(cè)試電壓是在prms（rms表示電壓有效值）保持1 min，其表達(dá)式為：

式中：Um是指IGBT模塊可容許的最高阻斷電壓。以6.5 kV IGBT模塊為例，絕緣測(cè)試必須在10.5 kV rms電壓下進(jìn)行。絕緣測(cè)試局部放電測(cè)試中，先使用的交流電壓1 min，然后電壓降至保持30 s，在測(cè)試循環(huán)的最后5 s，局部放電的電荷積累必須小于10 pC。局部放電測(cè)試的操作頻率必須是50 Hz或60 Hz。對(duì)于6.5 kV IGBT模塊，局部放電的測(cè)試電壓為5.1 kV rms。其中，測(cè)試循環(huán)第一階段較高電壓下可能產(chǎn)生的局部放電積累必須在第二階段中被清除。

在絕緣和局部放電測(cè)試過(guò)程中，IGBT模塊的外部電極統(tǒng)一短接在一起，高壓被施加在底板和電極之間。整個(gè)測(cè)試的簡(jiǎn)化電路如圖2所示[12-14]。

圖2 局部放電測(cè)試電路

1.2 局部放電的位置

IGBT模塊中局部放電發(fā)生的位置已經(jīng)被研究人員普遍認(rèn)可，在高電壓情況下，DBC的陶瓷銅金屬層的邊緣處會(huì)因?yàn)檫^(guò)高的電場(chǎng)強(qiáng)度引發(fā)局部放電[15]。在對(duì)局部放電現(xiàn)象進(jìn)行研究和觀測(cè)時(shí)，人們通常會(huì)搭建一個(gè)簡(jiǎn)易的樣品測(cè)試結(jié)構(gòu)（圖3所示），對(duì)IGBT內(nèi)部可能會(huì)影響局部放電的各種因素進(jìn)行研究，如陶瓷介質(zhì)、硅膠和DBC結(jié)構(gòu)等。

如圖4所示，通過(guò)對(duì)DBC的高壓測(cè)試進(jìn)行仿真分析和發(fā)光位置測(cè)試，也證實(shí)了電場(chǎng)強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在DBC陶瓷與銅金屬層的界面邊緣處。為了降低局部放電的影響，人們對(duì)絕緣介質(zhì)材料的要求非常高，如硅膠的介電強(qiáng)度已達(dá)到15×106V/mm。

圖3 測(cè)試樣品的結(jié)構(gòu)[15]

圖4 施加高壓的DBC基板 (a)仿真計(jì)算得到的電場(chǎng)分布情況[16](b)在硅膠中的局部放電的發(fā)光位置[17]

2 研究現(xiàn)狀

陶瓷基底的質(zhì)量、硅膠的使用環(huán)境溫度和濕度也都是影響局部放電的重要因素，然而盡管如此，制約IGBT模塊局部放電最關(guān)鍵部位仍然是在陶瓷基底與銅金屬層邊緣，所以在這個(gè)位置的硅膠就不僅僅是防止自身內(nèi)部放電，還要有防止基板與銅層邊緣放電的作用，許多研究人員也認(rèn)為IGBT模塊局部放電的主要來(lái)源就是在陶瓷基板、銅層與硅膠的界面處[9-10,15]。

因此可以從兩個(gè)方面入手來(lái)研究和解決這個(gè)問(wèn)題，一是對(duì)DBC基板進(jìn)行改進(jìn)，使用絕緣性能更好的介質(zhì)材料（不限于陶瓷材料）[18-20]，對(duì)現(xiàn)有陶瓷基板的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，削弱陶瓷基板銅層邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，使電場(chǎng)分布更加均勻，將電極邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度降低到膠體介質(zhì)材料所能容忍的限度[9-10,16,21-23]；二是對(duì)硅膠介質(zhì)體系進(jìn)行改進(jìn)，尋找可以與DBC介質(zhì)更加匹配的膠體材料，緩解膠體介質(zhì)中的局部放電現(xiàn)象[17,24-29]。

Auge等[19]分別使用了硅膠和其他五種不同油液對(duì)氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和玻璃環(huán)氧復(fù)合物等DBC的基板進(jìn)行灌封實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了局部放電的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)的目的就是為了弄清楚局部放電的根源。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)局部放電的現(xiàn)象有很大一部分是與陶瓷基底本身有關(guān)，陶瓷質(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)直接影響局部放電測(cè)試結(jié)果。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)局部放電并不是發(fā)生在封裝的硅膠材料中，而是產(chǎn)生于燒結(jié)的陶瓷材料中。局部放電的起因多是與陶瓷基本的屬性有關(guān)，陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生的空洞可能是引起局部放電的重要原因之一，如圖5所示。替換不同的陶瓷基底對(duì)局部放電影響很大，然而替換灌封的膠體介質(zhì)并沒(méi)有特別明顯的影響。

圖5 AlN陶瓷表面的掃描電鏡照片，孔洞大小約1 mm

Dutarde等[18]分別采用氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）陶瓷的DBC基板進(jìn)行研究，分別測(cè)試了它們?cè)诮^緣、局部放電和材料老化等方面的表現(xiàn)。測(cè)試的結(jié)果顯示AlN的耐擊穿強(qiáng)度比Al2O3高出很多，而且陶瓷厚度越薄，其耐擊穿能力越好。放電起始電壓（DIV）卻被發(fā)現(xiàn)是獨(dú)立于材料性質(zhì)的存在，因?yàn)闇y(cè)量中只有表面觸發(fā)的局部放電，這些放電主要取決于電極的曲率半徑。放電起始電壓的測(cè)量結(jié)果是14.2 kV（2 mm樣品）和13.2 kV（1 mm樣品）。

關(guān)于陶瓷表面銅層的形狀對(duì)局部放電的影響也有大量的相關(guān)研究。Frey等[10]在研究IGBT模塊局部放電現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅層的邊緣形狀改進(jìn)后，其邊緣的電場(chǎng)過(guò)高現(xiàn)象就會(huì)得到明顯改善。仿真后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅層的尖銳倒角形狀被做成圓角時(shí)，其邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值由76×106V/m降低到17×106V/m，其效果非常明顯。同樣的結(jié)果在Jany等[21]的研究中也得到了證實(shí)，結(jié)果如圖6所示。Ebke等[22]在對(duì)電極的整體形狀進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)圓形銅電極的局部放電效果優(yōu)于方形，主要是方形的邊角處電極的形狀過(guò)于尖銳引起的。

關(guān)于在DBC陶瓷和銅層界面處進(jìn)行介質(zhì)層沉積來(lái)改善其局部放電的報(bào)道也有很多。Mitic等[16]在研究中發(fā)現(xiàn)，在DBC陶瓷邊緣沉積一層高阻的摻雜非晶硅a-Si:H，結(jié)構(gòu)如圖7所示，在電壓11 kV進(jìn)行局部放電測(cè)試時(shí)，可以很明顯看到，陶瓷基板銅層邊緣電場(chǎng)更加均勻，有效削弱邊緣的電場(chǎng)峰值。然而沒(méi)有非晶硅層的模塊進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在電壓3~4 kV時(shí)就出現(xiàn)了局部放電迅速增加。a-Si:H層的加入有效降低了DBC邊緣的電場(chǎng)峰值，并且在局部放電測(cè)試中，電壓達(dá)到10 kV時(shí)局部放電電荷積累也沒(méi)有超過(guò)10 pC。

圖7 陶瓷邊緣制作非晶硅層的結(jié)構(gòu)示意圖[16]

Frey等[9]使用一層阻抗低于硅膠和DBC陶瓷的的介質(zhì)薄膜，將其沉積在陶瓷的表面，可以很明顯地抑制銅層邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，電極邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值可以由沉積薄膜前的20×106V/m降低到9×106V/m，其改進(jìn)的效果也是非常顯著。電場(chǎng)分布如圖8所示。

圖8 DBC陶瓷表面沉積阻性層的電場(chǎng)分布[10]

Donzel等[23]也使用在DBC表面沉積介質(zhì)薄膜的思路，他們使用ZnO摻雜的聚酰亞胺作為陶瓷外的非線性介質(zhì)層，同樣得到了明顯的陶瓷周邊電場(chǎng)峰值減弱現(xiàn)象，而且非線性介質(zhì)層比高介電常數(shù)介質(zhì)層的效果更好。在DBC銅層邊緣處硅膠中的電場(chǎng)強(qiáng)度可以被降低到6×106V/m。電場(chǎng)分布如圖9所示。

圖9 DBC陶瓷表面沉積聚酰亞胺薄膜的電場(chǎng)分布[23]

其次，對(duì)灌封介質(zhì)的絕緣和局部放電研究也有很多。Vu等[27]先后對(duì)各種不同的灌封介質(zhì)液體測(cè)試了局部放電，并與硅膠的局部放電情況進(jìn)行對(duì)比。三種不同膠體和液體的技術(shù)參數(shù)如表1中所示。

表1 硅膠和其甩油液的技術(shù)參數(shù)

這些膠體和液體的測(cè)試結(jié)果顯示，局部放電的起始電壓會(huì)隨著膠體或液體的屬性變化而發(fā)生巨大改變，從圖10中可以看出，硅膠的局部放電起始電壓最小，在硅膠中會(huì)最快產(chǎn)生局部放電的電荷積累。而電容器液則有最高的局部放電起始電壓。

圖10 在不同介質(zhì)膠體和液體中測(cè)得的平均放電電流

Wang等[26]研究人員使用鈦酸鋇粉體與硅膠的復(fù)合來(lái)對(duì)以往封裝的硅膠進(jìn)行替換，以此來(lái)降低在覆銅陶瓷基板邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而增加局部放電的起始電壓。經(jīng)測(cè)試表明，鈦酸鋇復(fù)合的硅膠的介電常數(shù)比純硅膠的介電常數(shù)大，并且表現(xiàn)出介電可調(diào)效應(yīng)，即介電常數(shù)隨電場(chǎng)改變而變化。作者不但在理論分析上證明了IGBT模塊中注入復(fù)合硅膠確實(shí)可以降低DBC邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度，并且在一些商業(yè)化的3.3 kV模塊中使用復(fù)合硅膠來(lái)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。同時(shí)還測(cè)試了復(fù)合硅膠的粘性、損耗和熱導(dǎo)性等，驗(yàn)證了其在工業(yè)制造過(guò)程中的適用性。

表2 3.3 kV商用模塊中注入純硅膠和復(fù)合硅膠時(shí)，局部放電起始電壓

Tab.2 Partial discharge inception voltages of actual 3.3 kV modules with filled and unfilled silicone gel

在作者之前的研究中也發(fā)現(xiàn)[29]，對(duì)BaTiO3復(fù)合硅膠覆蓋的DBC的電場(chǎng)分布進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 在純硅膠和復(fù)合硅膠中AlN基片表面電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比[29]

從純硅膠和復(fù)合硅膠模型的仿真結(jié)果可以看出，在AlN和銅金屬化層界面邊緣處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度由9.96×106V/m降低到8.16×106V/m，電場(chǎng)強(qiáng)度峰值降低達(dá)18%。

3 結(jié)束語(yǔ)

在IGBT模塊的例行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，絕緣和局部放電測(cè)試是必測(cè)項(xiàng)目，局部放電測(cè)試的優(yōu)劣能直接反映出器件在日后高壓使用環(huán)境下的可靠性。目前IGBT器件在其介質(zhì)材料發(fā)展方面主要受制于制造技術(shù)和商業(yè)化水平。只有通過(guò)對(duì)新型介質(zhì)材料和新型結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化，才能最大限度地促進(jìn)IGBT器件在可靠性方面的改善，拓展其應(yīng)用空間。

IGBT模塊內(nèi)部電場(chǎng)分布不均勻的情況普遍存在，主要受限制于覆銅陶瓷基板的材料和結(jié)構(gòu)，以及封裝使用的介質(zhì)材料。本文通過(guò)對(duì)關(guān)于IGBT模塊局部放電現(xiàn)象的研究進(jìn)行分析和總結(jié)，得到目前研究常用的幾種改善IGBT內(nèi)部電場(chǎng)分布狀態(tài)的方法。概括來(lái)說(shuō)可以通過(guò)兩個(gè)方向來(lái)研究緩解局部放電的方法，一是對(duì)覆銅陶瓷基板的改進(jìn)，主要是使用介電能力更好，制備質(zhì)量更高的材料對(duì)中間介質(zhì)陶瓷進(jìn)行替換，或是對(duì)其表面的銅層電極形狀和邊緣進(jìn)行改進(jìn)；二是改進(jìn)其灌封使用的介質(zhì)膠體，使用其他膠體或液體進(jìn)行替換，或是直接對(duì)硅膠進(jìn)行摻雜和改進(jìn)。同時(shí)，在相關(guān)的此類研究中，研究人員大量使用有限元分析方法，分析IGBT模塊中電場(chǎng)的分布情況，這是一種快捷有效的計(jì)算方法。

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（編輯：陳豐）

Actuality of partial discharge in high voltage IGBT modules

WANG Zhao, LIU Yaoning

(CRRC Yongji Electric Co., Ltd, Xi’an 710018, China)

The IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) modules have been developed for much higher voltage and current density, which leads to serious problems concerning the electrical insulation and partial discharge. The silicone gel and epoxy resin are usually used in the encapsulation of high voltage IGBT module to meet the capability of high electric filed, ensuring performances in the insulation and partial discharge. So far, many efforts have been done to optimize the electric field distribution inner the module. This paper mainly focus on the introductions of these solutions，which could improve the electric field distribution inner the module; Meanwhile, the perspectives are summarized for improving the reliability in partial discharge.

IGBT module; electrical insulation; review; partial discharge; high voltage; encapsulation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.002

TM215.92

A

1001-2028（2017）10-0012-07

2017-06-19

王昭

王昭（1987－），男，陜西西安人，博士，工程師，主要從事IGBT模塊封裝和工藝研究，E-mail: wangz_crrc@163.com ；劉曜寧（1988－），男，山西永濟(jì)人，碩士，工程師，研究方向?yàn)镮GBT模塊焊接工藝工序，E-mail: 365317813@qq.com。

2017-09-27 10:57

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