陳宏+李武華

摘 要 為了深入研究新型功率器件IGBT，在技術(shù)實(shí)踐中開展大功率IGBT離線測(cè)試研究，模擬實(shí)際運(yùn)行工作狀況，分析器件在不同工作狀況的性能和可靠性，為大功率變流設(shè)備提供器件級(jí)的參考和指導(dǎo)，使IGBT研究人員在技術(shù)實(shí)踐中形成IGBT測(cè)試的工程能力和研究能力。在研究新型功率器件的同時(shí)進(jìn)行工作測(cè)試和性能驗(yàn)證的技術(shù)實(shí)踐實(shí)踐，對(duì)于深入掌握大功率變流設(shè)備性能指標(biāo)具有重要意義。

關(guān)鍵詞 絕緣柵雙極型晶體管 功率器件 可靠性 功率損耗

中圖分類號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.11.018

Abstract In order to explore the deep research of IGBT， the technical practice for the off-line testing research of the large power IGBT is conducted， the actual working conditions are simulated， the IGBT working status and reliability are analyzed， so as to provide the reference and guide for the high power converters. The practice sets up the students active learning IGBT， cultivates researchers engineering ability and research creativity on IGBT component testing. The technical practice including the working testing and the quality verification is conducted with the new power component research， which has great significance on the deeply learning the high power converters characteristics.

Keywords IGBT； power component； reliability； power loss

0 引言

隨著中國(guó)電網(wǎng)發(fā)展，特別是以風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電為代表的可再生能源的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)電網(wǎng)新技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模和發(fā)展進(jìn)程。[1]功率半導(dǎo)體器件是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、轉(zhuǎn)換及其過程控制的核心部件，它使電能的使用更高效、更節(jié)能、更環(huán)保，將“粗電”變?yōu)椤熬姟?，因此它是?jié)能減排的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)。[2]絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET）和雙極型功率晶體管（bipolar junction transistor，BJT）的優(yōu)點(diǎn)。[3]IGBT兼有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，家用電器、相機(jī)、手機(jī)等等都可以用到IGBT。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，作為電力電子重要大功率主流器件之一，IGBT廣泛應(yīng)用在于家用電器、交通運(yùn)輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，在工業(yè)應(yīng)用方面，如交通控制、功率變換、工業(yè)電機(jī)、不間斷電源、風(fēng)電與太陽(yáng)能設(shè)備，以及用于自動(dòng)控制的變頻器。大功率IGBT 模塊作為主功率開關(guān)器件，廣泛應(yīng)用在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、軌道交通牽引變流設(shè)備和高壓直流輸電等領(lǐng)域。[4]由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V，因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此在技術(shù)實(shí)踐中，針對(duì) IGBT器件的性能測(cè)試和失效研究就顯得非常重要。

在IGBT的大功率設(shè)備應(yīng)用中，與變換器效率直接相關(guān)的損耗問題一直是各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其中如何準(zhǔn)確估算變換器的損耗是研究的重要內(nèi)容之一，在較高的開關(guān)頻率下準(zhǔn)確估算開關(guān)損耗一直是功率變換器損耗分析的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。[5]當(dāng)IGBT重復(fù)開通、關(guān)斷時(shí)， 在熱沖擊的反復(fù)作用下產(chǎn)生失效或疲勞效應(yīng)，其工作壽命與可靠性將影響到整個(gè)裝置或系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有統(tǒng)計(jì)指出， 電子器件產(chǎn)生失效的原因大約有55%是由于過熱及與熱相關(guān)的問題造成的，溫度改變會(huì)引起材料的屬性變化， 而由此帶來(lái)電容量、阻抗值等的改變將影響電氣信號(hào)的傳輸特性的失效是與其動(dòng)態(tài)特性相關(guān)的復(fù)雜過程，國(guó)內(nèi)外諸多文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)的失效機(jī)理進(jìn)行了研究，但很少有文獻(xiàn)對(duì)失效前后的結(jié)溫溫度分布進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)研究。[6]IGBT 模塊作為功率變流器的主要部件，因IGBT 失效而導(dǎo)致功率變流器的故障率較高，[7]作為能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷琁GBT器件的功能失效將會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行癱瘓，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，甚至產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)損失，因此利用大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)作為研究IGBT器件特性的技術(shù)實(shí)踐，使IGBT研究人員采用實(shí)踐中的相應(yīng)測(cè)試電路，模擬實(shí)際運(yùn)行工作狀況，分析器件在不同工作狀況的電氣應(yīng)力、開關(guān)導(dǎo)通特性以及開關(guān)工作軌跡，為深入掌握大功率變流設(shè)備性能指標(biāo)、進(jìn)一步了解IGBT器件運(yùn)行參數(shù)提供了途徑，對(duì)于發(fā)展國(guó)內(nèi)IGBT研究水平、培養(yǎng)IGBT器件研究領(lǐng)域的科技人才也具有積極的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)踐內(nèi)容

技術(shù)實(shí)踐內(nèi)容包括學(xué)習(xí)大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)的工作原理、實(shí)際測(cè)量、測(cè)量結(jié)果記錄和分析三個(gè)方面。

1.1 大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)的工作原理

隨著大功率高壓電力電子器件的發(fā)展， 出現(xiàn)了以IGBT 、MOSFET等固態(tài)器件為開關(guān)元件的調(diào)制器， 其中IGBT具有MOSFET的快速通斷和電力晶體管大電流耐壓高的雙重優(yōu)點(diǎn)， 在固態(tài)調(diào)制器工程應(yīng)用中占有明顯優(yōu)勢(shì)。[8]在大功率IGBT離線測(cè)試中分高壓側(cè)測(cè)試和低壓側(cè)測(cè)試兩部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。endprint

若不考慮線路損耗，則功率變換器的損耗主要由3 部分構(gòu)成：（1）功率半導(dǎo)體器件開通、關(guān)斷過程的開關(guān)損耗；（2）導(dǎo)通狀態(tài)下的通態(tài)損耗；（3）關(guān)斷狀態(tài)下的截止損耗。隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗在變換器總損耗中所占比例逐漸增大，并成為影響變換器效率的主要因素。然而，開關(guān)過程持續(xù)時(shí)間通常極短，且暫態(tài)過程的電壓、電流波形不僅與電路及器件本身寄生參數(shù)有關(guān)，還與導(dǎo)通電流有關(guān)，增加了開關(guān)損耗估算的難度。[5]因此，大功率IGBT離線測(cè)試中采用幾種獨(dú)特的技術(shù)方法：

（1）采用獨(dú)立雙加熱測(cè)試的功能，實(shí)現(xiàn)了IGBT和續(xù)流二極管的結(jié)溫解耦控制，從而更好地模擬功率器件在實(shí)際運(yùn)行工作狀況中的結(jié)溫分布不均勻現(xiàn)象。

（2）提出了時(shí)間補(bǔ)償算法，可將測(cè)試設(shè)備中的雜散電阻損耗轉(zhuǎn)化為預(yù)充電時(shí)間的增量，確保電流測(cè)試的準(zhǔn)確性。

（3）低壓大電流測(cè)試對(duì)于環(huán)路寄生電感參數(shù)十分敏感，要求較大的母線電容值。采用一體化母線排，實(shí)現(xiàn)低壓母線電容組與被測(cè)IGBT緊湊連接。而高壓測(cè)試可以采用相對(duì)較小的母線電容值，通過電解電容的串聯(lián)來(lái)獲得高電壓，設(shè)置大面積一體化吸收電容組減少寄生電感對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。這種分級(jí)處理的測(cè)試電路，具備多檔驅(qū)動(dòng)電平，優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

大功率IGBT離線測(cè)試裝置如圖2所示。

1.2 大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)高于1700V 電壓等級(jí)的大功率IGBT 模塊，大功率IGBT 模塊開關(guān)特性測(cè)試系統(tǒng)具有半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。測(cè)試電路的結(jié)構(gòu)采用一體化母排設(shè)計(jì)，易于器件的拆裝和不同驅(qū)動(dòng)電路的搭配?？刂粕喜捎秒p脈沖測(cè)試法，針對(duì)不同工作電流等級(jí)的實(shí)際需求，實(shí)時(shí)調(diào)整脈寬，達(dá)到所需的工作控制需求。大功率IGBT離線測(cè)試裝置模擬IGBT的實(shí)際運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)全范圍的開關(guān)特性測(cè)試。

基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT模塊開關(guān)特性自動(dòng)化測(cè)試流程，以LabVIEW控制軟件為核心，與示波器和DSP控制板進(jìn)行通信完成測(cè)試參數(shù)的設(shè)置，測(cè)試指令的下達(dá)和測(cè)試結(jié)果的保存。整個(gè)測(cè)試流程全部在LabVIEW上進(jìn)行操作和控制；以MATLAB數(shù)學(xué)運(yùn)算為核心，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行開關(guān)特性參數(shù)的提取和參數(shù)變化趨勢(shì)的描繪?？刂葡到y(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、存儲(chǔ)與分析一體化，測(cè)試流程簡(jiǎn)單靈活方便。

在大功率IGBT離線測(cè)試中能夠針對(duì)不同廠商生產(chǎn)的IGBT器件、不同類型IGBT器件，分析和對(duì)比IGBT器件的安全運(yùn)行軌跡和開關(guān)特性，從硬件電路測(cè)試和虛擬軟件模擬的分析兩個(gè)方面進(jìn)行損耗對(duì)比、高溫特性對(duì)比、可靠性對(duì)比的研究。如圖3所示為英飛凌IGBT反向恢復(fù)運(yùn)行軌跡和三菱IGBT反向恢復(fù)運(yùn)行軌跡的測(cè)試結(jié)果。

基于LabVIEW 的虛擬儀器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT 模塊開關(guān)特性自動(dòng)化測(cè)試流程，以LabVIEW 控制軟件為核心，與示波器和DSP 控制板進(jìn)行通信完成測(cè)試參數(shù)的設(shè)置，測(cè)試指令的下達(dá)和測(cè)試結(jié)果的保存。整個(gè)測(cè)試流程全部在LabVIEW 上進(jìn)行操作和控制；以MATLAB 數(shù)學(xué)運(yùn)算為核心，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行開關(guān)特性參數(shù)的提取和參數(shù)變化趨勢(shì)的描繪?？刂葡到y(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、存儲(chǔ)與分析一體化，測(cè)試流程簡(jiǎn)單靈活方便。

1.3 大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同關(guān)斷電壓和集電極電流下的開關(guān)能量與過沖的數(shù)據(jù)庫(kù)分析結(jié)果如圖4所示，從左至右分別為開通能量、關(guān)斷能量、電壓過沖、電流過沖的測(cè)量結(jié)果[9]。

實(shí)現(xiàn)的測(cè)量可以達(dá)到電壓100V至4500V的測(cè)量范圍，電流50A至3600A的測(cè)量范圍，環(huán)境溫度室溫至125攝氏度的測(cè)量范圍。其中門極電壓、門極電阻和環(huán)路電感都可以自動(dòng)或者半自動(dòng)設(shè)置，測(cè)量系統(tǒng)采用帶寬300MHz，采用率2.5G/s，可以滿足所有的商用大功率IGBT器件動(dòng)態(tài)測(cè)試的需求。

2 實(shí)踐效果

大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)在技術(shù)實(shí)踐中針對(duì)IGBT研究中的實(shí)際問題開展實(shí)驗(yàn)，使實(shí)踐為IGBT科學(xué)研究服務(wù)，有效地提高了IGBT研究人員的科研能力，取得了良好的技術(shù)實(shí)踐效果。

2.1 自制設(shè)備符合實(shí)踐需求

首先作為自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，IGBT離線測(cè)試臺(tái)的測(cè)試內(nèi)容和實(shí)際需求能夠更好地吻合，有針對(duì)性地解決IGBT研究中的實(shí)際問題。

IGBT的物理模型涉及半導(dǎo)體物理，器件的制造工藝等專業(yè)知識(shí)，但是在IGBT 的工程使用當(dāng)中，在缺乏IGBT結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝指標(biāo)的條件下，IGBT物理模型缺乏實(shí)用性，并不能直接作為IGBT器件的技術(shù)參數(shù)；其次，IGBT器件生產(chǎn)廠商提供的器件開關(guān)動(dòng)態(tài)特性的相關(guān)曲線與測(cè)試數(shù)據(jù)具有測(cè)試條件的局限性，難以預(yù)測(cè)IGBT 在實(shí)際特定的運(yùn)行環(huán)境下的工作特性，使得用戶在實(shí)際應(yīng)用中，生產(chǎn)廠商提供的測(cè)試數(shù)據(jù)，沒有真正的參考價(jià)值，不能有效指導(dǎo)用戶使用IGBT；大功率IGBT 離線測(cè)試裝置擺脫了上述制約條件的局限，發(fā)揮測(cè)試裝置的優(yōu)勢(shì)，改變工作條件分析器件的電氣應(yīng)力，分析開通、關(guān)斷時(shí)的導(dǎo)通損耗以及運(yùn)行軌跡的數(shù)據(jù)分布規(guī)律，模擬IGBT實(shí)際運(yùn)行的工作條件，建立相應(yīng)電壓、電流下的測(cè)試電路，分析不同電壓、電流條件對(duì)于IGBT工作特性的影響，從而為篩選符合設(shè)計(jì)需要的IGBT 模塊提供參考數(shù)據(jù)，同時(shí)合理配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，做出具體工作條件下的損耗的評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了最高4500V的測(cè)量電壓，最高3600A的測(cè)量電流，最高125攝氏度的測(cè)量范圍，測(cè)量達(dá)到帶寬300MHz，采用率2.5G/s，可以滿足所有的商用大功率IGBT器件動(dòng)態(tài)測(cè)試的需求。這對(duì)在研究設(shè)計(jì)中需要實(shí)行冗余、容錯(cuò)的控制策略，確保整個(gè)系統(tǒng)在不損失性能指標(biāo)、或者不降低部分性能指標(biāo)的前提條件下安全運(yùn)行具有重要意義，有效地提高大功率設(shè)備的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所研究的電力電子裝置的壽命預(yù)測(cè)。開展大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)的技術(shù)實(shí)踐，使實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容和實(shí)際需求能夠更好地吻合，達(dá)到把實(shí)踐技能的訓(xùn)練與科學(xué)研究融為一體的實(shí)踐效果。endprint

2.2 實(shí)踐內(nèi)容為IGBT研究服務(wù)

IGBT離線測(cè)試臺(tái)針對(duì)IGBT工作特性做研究和測(cè)試，做到IGBT研究的工作理論聯(lián)系實(shí)踐，起到很好的技術(shù)示范作用。

IGBT作為功率器件，工作的可靠性是IGBT的重要技術(shù)指標(biāo)。可靠性是具有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力，研究IGBT可靠性工作的影響因素，在大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)上有針對(duì)性地測(cè)試IGBT的失效機(jī)理，通過加速老化試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)的測(cè)量可以達(dá)到電壓100V至4500V的測(cè)量范圍，電流50A至3600A的測(cè)量范圍，環(huán)境溫度室溫至125攝氏度的測(cè)量范圍，分析了開通能量、關(guān)斷能量、電壓過沖、電流過沖的測(cè)量結(jié)果。不僅為IGBT器件特性的分析提供測(cè)量平臺(tái)，為變流器的器件選型提供參考，而且開展技術(shù)實(shí)踐有助于培養(yǎng)IGBT器件研究領(lǐng)域的科技人才，因此大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)的實(shí)踐成為IGBT理論聯(lián)系實(shí)踐的實(shí)踐典范。

3結(jié)語(yǔ)

大功率IGBT離線測(cè)試裝置為研究IGBT器件特性提供技術(shù)實(shí)踐，開展了IGBT功率器件的過沖電流、電壓分析[9]、失效率和失效模式研究、[10]熱-電耦合模型建模[11]研究等等研究。

科學(xué)研究離不開技術(shù)實(shí)踐，科學(xué)研究的成果常常來(lái)自于技術(shù)實(shí)踐，科研人員能力的提高也來(lái)自于技術(shù)實(shí)踐。馮·格拉塞斯費(fèi)爾德指出：“我們應(yīng)該把知識(shí)與能力看作是個(gè)人建構(gòu)自己經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)物”。[12]大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)已經(jīng)成為IGBT研究人員研究新型大功率器件工作特性必不可少的設(shè)備，從測(cè)試現(xiàn)象中分析工作電路中的損耗和失效機(jī)理，逐步建立理論學(xué)習(xí)到技術(shù)應(yīng)用的知識(shí)轉(zhuǎn)換。自制大功率IGBT離線測(cè)試臺(tái)，模擬高性能和高可靠性大功率變流設(shè)備工作的技術(shù)實(shí)踐平臺(tái)，緊密聯(lián)系實(shí)踐，提高了技術(shù)實(shí)踐的研究水平，使技術(shù)實(shí)踐為IGBT的研究服務(wù)，激發(fā)了IGBT科研人員深入研究的興趣，理論聯(lián)系實(shí)際，提高了IGBT科研人員的實(shí)踐操作能力和研究能力，培養(yǎng)IGBT器件研究領(lǐng)域的科技人才，為電力電子技術(shù)研究人員在IGBT器件領(lǐng)域方面的深入研究發(fā)揮了重要作用。

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