彭 程， 李學(xué)寶， 曹子楷， 顧妙松， 唐新靈， 趙志斌， 崔 翔

(1.新能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 杭州 310016；3.先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司)，北京 102209)

0 引 言

高壓大功率壓接型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)器件因其具有雙面散熱、失效短路、功率密度大等優(yōu)點(diǎn),在高壓大功率電力變換領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1,2]。由于目前單顆IGBT芯片通流能力有限,壓接型IGBT器件內(nèi)部通過大規(guī)模的IGBT芯片并聯(lián)連接來提高電流等級(jí)[3,4],圖1給出了某款3.3kV/1 500A剛性壓接型IGBT器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 壓接型IGBT器件示意圖Fig. 1 Schematic diagram of press pack IGBT device

圖中可以看出壓接型IGBT器件內(nèi)部含有30顆IGBT芯片,14顆FRD(Fast Recovery Diode)芯片,導(dǎo)致其整體尺寸較大且內(nèi)部空間緊湊。因此在壓接型IGBT器件在運(yùn)行過程中,其內(nèi)部空間電-熱-力等環(huán)境因素復(fù)雜且分布不均衡,不同位置處的IGBT芯片將承受不同的應(yīng)力條件[5,6],IGBT芯片作為壓接型IGBT器件內(nèi)部的核心部件,其工作特性直接決定了整個(gè)壓接型IGBT器件的安全可靠運(yùn)行能力。其中,動(dòng)態(tài)特性參數(shù)是考核其性能的重要參考依據(jù),同時(shí)IGBT動(dòng)態(tài)特性受到器件內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境因素的影響,為此研究IGBT芯片的動(dòng)態(tài)特性及其影響因素具有重要意義[7,8]。

關(guān)于IGBT動(dòng)態(tài)特性及其影響因素已有很多相關(guān)的研究,但目前研究對(duì)象大多集中焊接IGBT模塊,同時(shí)影響因素主要集中于寄生參數(shù)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)及溫度等[8-10]。這些研究對(duì)于推動(dòng)焊接IGBT模塊可靠運(yùn)行具有積極作用。但是壓接型IGBT器件與焊接IGBT模塊封裝有顯著的差別,前者功率等級(jí)更大,內(nèi)部多物理量環(huán)境更加復(fù)雜,電-熱-力等因素相互耦合在一起,且不同位置處具有較大的差異[11,12]。另外在芯片結(jié)構(gòu)上,壓接與焊接使用的IGBT芯片也存在差異,例如壓接IGBT芯片為了更好的承受機(jī)械壓力,其內(nèi)部的MOS結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜[13]。這些結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致現(xiàn)有焊接IGBT模塊的相關(guān)結(jié)論不能直接應(yīng)用到壓接IGBT上,需要對(duì)壓接型IGBT芯片進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。遺憾的是,目前針對(duì)壓接型IGBT器件內(nèi)部芯片動(dòng)態(tài)特性及其影響因素的研究還很少有文獻(xiàn)報(bào)道。為此全面研究壓接型IGBT芯片的動(dòng)態(tài)特性及其影響因素成為壓接型IGBT器件研制過程中亟需解決的問題。

本文利用所研制的具有環(huán)境因素靈活調(diào)節(jié)的壓接型IGBT單芯片動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)量獲得了母線電壓、負(fù)載電流、驅(qū)動(dòng)電阻、溫度及機(jī)械壓力等因素下IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)波形,分析了不同影響因素對(duì)IGBT芯片動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的影響規(guī)律,掌握了不同影響因素對(duì)芯片動(dòng)態(tài)特性的影響程度,研究結(jié)果可以為高壓大功率IGBT芯片建模及規(guī)?；⒙?lián)芯片的封裝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在IGBT動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試中,一般采用IEC標(biāo)準(zhǔn)中的雙脈沖測(cè)試電路[14],其基本電路和波形示意圖如圖2所示。圖2(a)中包含充放電回路與實(shí)驗(yàn)回路兩部分。充放電回路中含有高壓直流電源Vbus、充電電阻R1、放電電阻R2及開關(guān)K1和K2,充放電回路為母線電容Cbus提供實(shí)驗(yàn)回路所需的母線電壓。在實(shí)驗(yàn)回路中,IGBT為被測(cè)對(duì)象,FRD為續(xù)流二極管,Lload為負(fù)載電感。在上述雙脈沖電路結(jié)構(gòu)下,IGBT芯片的典型開關(guān)波形如圖2(b)所示。為了表征芯片的動(dòng)態(tài)特性,按照IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了典型的開關(guān)過程波形參數(shù),各參數(shù)的定義如表1所示。

表1 IGBT動(dòng)態(tài)特征參數(shù)Tab.1 IGBT dynamic characteristic parameters

圖2 雙脈沖測(cè)試電路及波形[14]Fig. 2 Test circuit and waveform of double pulse[14]

為了能夠?qū)崿F(xiàn)不同影響因素下壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性的研究,本文作者基于圖2(a)的測(cè)試原理研制了圖3所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了保證壓接型IGBT芯片表面受力的均衡度,在壓力夾具中引入了壓力均衡裝置,使芯片表面不均衡度從46.7%降低到2.6%。采用環(huán)氧樹脂板改善壓力夾具各組件溫度分布,使IGBT芯片結(jié)溫誤差由25.60%降低到0.27%[15],同時(shí)能夠保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)其他電氣元件不受到溫度的影響。該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)母線電壓、負(fù)載電流、驅(qū)動(dòng)電阻、溫度及機(jī)械壓力等參數(shù)靈活可調(diào)的能力,根據(jù)被測(cè)壓接型IGBT芯片的工作條件,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)及影響因素設(shè)置范圍如表2所示。

表2 動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)Tab.2 Parameters of dynamic characteristics test platform

圖3 雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 3 Double pulse test platform

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量部分包括：測(cè)量vCE的探頭型號(hào)為PPE4kV,測(cè)量vGE的探頭型號(hào)為PP018,測(cè)量電流的羅氏線圈型號(hào)為CWT-Ultra mini06,示波器型號(hào)為HDO4104A,實(shí)驗(yàn)前對(duì)各探頭進(jìn)行了校準(zhǔn)[16]。

2 IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同母線電壓

為了研究不同母線電壓VCE對(duì)IGBT動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,設(shè)負(fù)載電流為55 A、驅(qū)動(dòng)電阻為40 Ω,機(jī)械壓力為1 kN、溫度為25 ℃。母線電壓分別為400 V、800 V、1 200 V、1 600 V和2 000 V。其中需要保證不同電壓下得到相同的負(fù)載電流,可通過改變第一個(gè)脈沖的寬度實(shí)現(xiàn),IGBT導(dǎo)通時(shí),負(fù)載電流的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

由于母線電容的容值較大,實(shí)驗(yàn)過程中認(rèn)為母線電壓vbus幾乎不變,則電流與時(shí)間成線性關(guān)系,即

(2)

從(2)式可知,充電時(shí)間t與vbus成反比。如圖4所示,通過調(diào)整第一個(gè)脈沖寬度即可得到相同電流下的波形;圖5展示了3個(gè)母線電壓下的關(guān)斷與開通波形;圖6提取了不同母線電壓下動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。

圖4 不同母線電壓下雙脈沖波形Fig. 4 Double pulse waveform under different bus voltages

圖5 不同母線電壓下開通關(guān)斷過程Fig. 5 Turn on and off process under different bus voltages

圖6 母線電壓對(duì)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的影響Fig. 6 Influence of bus voltages on dynamic parameters

圖6(a)看出關(guān)斷過程tdoff、tf及toff隨著VCE的增大而增大,原因在于圖5(b)所示VCE影響密勒平臺(tái)的寬度,VCE越高,密勒平臺(tái)越寬。圖6(b)看出開通過程tr隨著VCE的增大而增大,原因在于圖5(d)所示VCE影響電流過沖,但tdon幾乎不受影響。圖6(c)看出隨著VCE的增大,Eoff和Eon同時(shí)線性增大。值得注意的是,圖5(b)中箭頭所示VCE影響iC過沖的大小,從iG的波形也可以得出相關(guān)信息,此結(jié)論為監(jiān)測(cè)iC電流過沖提供了一個(gè)新的測(cè)量思路。

2.2 不同負(fù)載電流

為了研究不同負(fù)載電流IC對(duì)IGBT動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,設(shè)母線電壓為2 000 V,驅(qū)動(dòng)電阻為40 Ω,機(jī)械壓力為1 kN,溫度為25 ℃,負(fù)載電流分別為28 A、41 A、55 A、67 A和80 A。如圖7所示,通過調(diào)整第一個(gè)脈沖寬度,可獲得不同負(fù)載電流下的雙脈沖波形,圖8展示了3個(gè)負(fù)載電流下的關(guān)斷與開通波形,圖9提取了不同負(fù)載電流下動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。

圖7 不同負(fù)載電流下雙脈沖波形Fig. 7 Double pulse waveform under different load current

圖8 不同負(fù)載電流下開通關(guān)斷過程Fig. 8 Turn on and off process under different load current

圖9 負(fù)載電流對(duì)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的影響Fig. 9 Influence of load current on dynamic parameters

圖9(a)看出關(guān)斷延時(shí)tdoff隨著負(fù)載電流IC的增大而增大,這個(gè)過程包含vCE電壓上升階段,此階段是IGBT內(nèi)部在建立空間電荷區(qū),原有的載流子遷移出電導(dǎo)調(diào)制區(qū),當(dāng)電流等級(jí)增大時(shí),空間電荷區(qū)的建立時(shí)間增加。電流下降時(shí)間tf幾乎不變,原因在于電流下降階段,IGBT內(nèi)部MOS溝道已經(jīng)完全關(guān)閉,電流下降不再受到驅(qū)動(dòng)電壓的控制,僅由IGBT芯片內(nèi)部的載流子壽命決定。因此,tf幾乎不變,導(dǎo)致diC/dt隨著IC的增大而增大。圖9(b)看出開通過程tdon、tr及ton隨著IC的增大而增大。與關(guān)斷過程不同,開通過程diC/dt不隨IC變化,原因在于電流上升階段,IGBT電流主要由MOS電流構(gòu)成,此電流嚴(yán)格受到柵極電壓的控制,因?yàn)闁艠O條件未變,所以電流的上升率不變。結(jié)果導(dǎo)致tr隨著IC線性增大。另外,可以觀察到iC的過沖和iG的過沖時(shí)間上能夠一一對(duì)應(yīng),進(jìn)一步證明可以通過iG反映iC的信息。圖9(c)看出隨著IC的增大,Eoff和Eon同時(shí)增大,但Eon增長(zhǎng)更快,原因在于IC增大會(huì)引起電壓拖尾進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p耗增大,結(jié)合后面圖10(b)看出通過減小RG能夠減小電壓拖尾。

圖10 不同驅(qū)動(dòng)電阻下開通關(guān)斷過程Fig. 10 Turn on and off process under different gate resistor

2.3 不同驅(qū)動(dòng)電阻

為了研究不同驅(qū)動(dòng)電阻RG對(duì)IGBT動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,設(shè)母線電壓為1 200 V,負(fù)載電流為55 A,機(jī)械壓力為1 kN,溫度為25 ℃,驅(qū)動(dòng)電阻分別為10 Ω、20 Ω和40 Ω進(jìn)行雙脈沖實(shí)驗(yàn),圖10顯示了不同驅(qū)動(dòng)電阻下的雙脈沖關(guān)斷與開通波形,圖11提取了不同驅(qū)動(dòng)電阻下動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。

圖11 驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的影響Fig. 11 Influence of gate resistor on dynamic parameters

圖11(a)看出關(guān)斷延時(shí)tdoff隨著RG的增大而增大,原因在于圖10(a)中RG影響了iG,導(dǎo)致IGBT內(nèi)部的彌勒電容CGC放電時(shí)間變長(zhǎng)。電流下降斜率diC/dt幾乎不變,原因在于此時(shí)電流下降不受柵極電壓的控制,僅由內(nèi)部載流子壽命決定。圖11(b)看出開通過程tdon、tr及ton隨著RG增大而增大,原因在開通過程,IGBT電流主要為其內(nèi)部的MOS溝道電流,此電流嚴(yán)格受到柵極電壓vGE的控制,圖10(c)可以看出RG影響vGE的整個(gè)充電過程,因此RG增大導(dǎo)致tdon和tr同時(shí)增大。從圖11(c)可以看出隨著RG增大Eon明顯增大,Eoff輕微減小,但兩者之和是增加的。

2.4 不同溫度

為了研究不同溫度T對(duì)壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,設(shè)母線電壓為2 000 V,機(jī)械壓力為1 kN,負(fù)載電流分別為55 A,加熱板溫度分布設(shè)為25 ℃、50 ℃、75 ℃、100 ℃和125 ℃。圖12展示了3個(gè)溫度條件下的關(guān)斷與開通波形,圖13提取了不同溫度下動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。

圖12 不同溫度下開通關(guān)斷過程Fig. 12 Turn on and off process under different temperatures

圖13 溫度對(duì)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的影響Fig. 13 Influence of temperature on dynamic parameters

圖13(a)關(guān)斷過程隨著溫度T增大,tdoff和toff輕微增大,主要原因在于在電流下降階段,IGBT內(nèi)部的復(fù)合起主導(dǎo)作用,溫度影響載流子壽命,隨著溫度的升高,載流子壽命越大,復(fù)合過程越長(zhǎng),電流下降時(shí)間越大。圖13(b)看出溫度T對(duì)開通時(shí)間影響較小,原因在開通過程中,由于大量的過剩電子從MOS溝道注入,同時(shí)大量的過?？昭◤募姌O注入,于是內(nèi)部的復(fù)合作用影響很小。圖13(c)看出T越大,Eoff幾乎不變,Eon線性增大,同時(shí)也觀察到Eoff在125 ℃時(shí)也出現(xiàn)了明顯的偏移,說明IGBT芯片在125 ℃附近將要面臨失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 不同機(jī)械壓力

為了研究不同機(jī)械壓力F對(duì)壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,設(shè)置電流為55 A,母線電壓為2 000 N,驅(qū)動(dòng)電阻為40 Ω,溫度為25 ℃,機(jī)械壓力分別為1 kN、1.5 kN、2 kN、2.5 kN和3 kN。圖14展示了3個(gè)機(jī)械壓力下的關(guān)斷與開通波形,圖15提取了不同機(jī)械壓力下動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。

圖14 不同機(jī)械壓力下開通關(guān)斷過程Fig. 14 Turn on and off process under different press

圖15 機(jī)械壓力對(duì)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的影響Fig. 15 Influence of press on dynamic parameters

圖15(a)關(guān)斷過程隨著機(jī)械壓力F增大,tdoff、tf和toff都輕微增大,圖15(b)開通過程隨著F增大,tdon幾乎不變,ton和tr輕微減小,圖15(c)看出隨著F增大,Eoff增大,Eon幾乎不變。壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性不受機(jī)械壓力影響的主要原因是對(duì)IGBT芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),第一是利用柵極氧化層墊高JFET區(qū)域上面的金屬層,有效降低了壓力對(duì)MOS溝道的影響,第二是有源區(qū)額外增加了薄的金屬鋁,對(duì)芯片表面起到了壓力緩沖的作用。這兩個(gè)措施有效避免了壓力對(duì)IGBT動(dòng)態(tài)特性的影響[14]。

3 不同影響因素對(duì)比

為了量化每個(gè)影響因素對(duì)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的影響程度,選取兩個(gè)時(shí)間參數(shù)toff和ton、兩個(gè)能量參數(shù)Eoff和Eon,分別提取各個(gè)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)在不同影響因素下的最大值及最小值,求出其變化率,匯總結(jié)果如表3所示。針對(duì)上述4個(gè)動(dòng)態(tài)特征參數(shù),繪制不同影響因素對(duì)比直方圖,如圖16所示。

表3 不同影響因素特征參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of characteristic parameters in different influencing factors

圖16 不同影響因素對(duì)比直方圖Fig. 16 Histogram for comparison of different influencing factors

從表3和圖16可以看出,母線電壓VCE和負(fù)載電流IC除了直接影響關(guān)斷損耗Eoff和開通損耗Eon外,母線電壓VCE主要影響關(guān)斷過程,關(guān)斷時(shí)間toff變化率為23.11%;負(fù)載電流IC主要影響開通過程,開通時(shí)間ton變化率為31.63%;除此之外,驅(qū)動(dòng)電阻RG主要影響開通過程,開通時(shí)間ton變化率為52.7%,對(duì)關(guān)斷損耗Eoff和開通損耗Eon相差不大,分別為23.8%和20.7%;溫度T對(duì)開通過程有較明顯的影響,其中開通時(shí)間ton變化率為10.4%,開通損耗Eon變化率為13.4%;機(jī)械壓力F對(duì)開通關(guān)斷過程的影響作用都很小,時(shí)間參數(shù)保持在2%以內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)壓接型IGBT芯片,研制了基于雙脈沖的動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái);然后在不同母線電壓、負(fù)載電流、驅(qū)動(dòng)電阻、溫度及機(jī)械壓力下對(duì)壓接型IGBT芯片進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性測(cè)試;得到了不同影響因素對(duì)壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)IGBT芯片建模及安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到如下主要結(jié)論：

(1)不同影響因素對(duì)壓接型IGBT芯片特征參數(shù)的影響階段和程度不同, 母線電壓主要影響關(guān)斷過程,負(fù)載電流、驅(qū)動(dòng)電阻和溫度主要影響開通過程,機(jī)械壓力對(duì)開通關(guān)斷過程的影響都很小。

(2)分析不同影響因素下壓接型IGBT芯片的雙脈沖波形,發(fā)現(xiàn)影響開通和關(guān)斷過程機(jī)制不同的主要原因是由其內(nèi)部MOS溝道和載流子壽命決定,對(duì)雙脈沖波形不同階段進(jìn)行了機(jī)理解釋,實(shí)驗(yàn)波形對(duì)指導(dǎo)高壓IGBT芯片建模具有指導(dǎo)意義。

(3)分析雙脈沖動(dòng)態(tài)特性測(cè)試波形,發(fā)現(xiàn)柵極電流iG可以反映集電極電流iC的信息,為此在壓接型IGBT器件的在線監(jiān)測(cè)時(shí),可以通過測(cè)量iG反應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)的部分信息。