劉思佳 文 騰,2 李學(xué)寶 王 亮 崔 翔

高壓大功率彈性壓接型IGBT器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)瞬態(tài)特性

劉思佳1文 騰1,2李學(xué)寶1王 亮3崔 翔1

（1. 新能源電力系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京 102206 2. 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 北京 100120 3. 先進(jìn)輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京智慧能源研究院） 北京 100085）

壓接型絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是支撐柔性直流裝備研制的核心器件，彈性壓接型IGBT能更好地實(shí)現(xiàn)器件中各并聯(lián)芯片的壓力均衡，在電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中前景廣闊。然而，器件內(nèi)部的絕緣問題是高壓器件研制過程中面臨的主要挑戰(zhàn)之一，因此，有必要在實(shí)際工況下分析器件絕緣結(jié)構(gòu)中的瞬態(tài)電場(chǎng)分布，以指導(dǎo)絕緣設(shè)計(jì)。該文針對(duì)彈性壓接型IGBT器件內(nèi)部的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，采用時(shí)域邊界電場(chǎng)約束方程法，分別計(jì)算了單次關(guān)斷工況和重復(fù)性導(dǎo)通關(guān)斷工況下彈性壓接型IGBT器件子模組封裝絕緣結(jié)構(gòu)中的瞬態(tài)電場(chǎng)分布。結(jié)果表明兩種工況下，封裝絕緣結(jié)構(gòu)中最大電場(chǎng)強(qiáng)度均出現(xiàn)在芯片/聚酰亞胺（PI）鈍化層界面上，且由于介質(zhì)分界面兩側(cè)的絕緣材料介電常數(shù)和電導(dǎo)率參數(shù)不匹配，分界面上將會(huì)積累電荷。界面電荷密度隨著時(shí)間逐漸增大，并影響電場(chǎng)分布，使得子模組中最大電場(chǎng)強(qiáng)度的模值和位置隨時(shí)間發(fā)生變化。同時(shí)，單次關(guān)斷工況下，最大電場(chǎng)強(qiáng)度的模值會(huì)更大。此外，該文提出通過改變器件中使用的絕緣材料，提高界面處的材料參數(shù)匹配程度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)子模組內(nèi)電場(chǎng)分布的改善。該文所提方法能顯著降低器件內(nèi)部最大電場(chǎng)強(qiáng)度的模值，可為彈性壓接型IGBT器件的封裝絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

彈性壓接型IGBT 時(shí)域有限元法 電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng) 單次關(guān)斷工況 重復(fù)性導(dǎo)通關(guān)斷工況 電場(chǎng)調(diào)控方法

0 引言

隨著柔性直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓大功率絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）被廣泛應(yīng)用在各類大容量電力換流和控制裝備中，成為直流電網(wǎng)中不可或缺的核心部件[1-7]。高壓大功率IGBT器件有焊接型封裝和壓接型封裝兩種主要封裝形式。相比于焊接型IGBT器件，壓接型IGBT器件具有失效短路、易于串聯(lián)、易于驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，適合高可靠性的電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，逐漸成為電網(wǎng)應(yīng)用的主要封裝形式[8]。壓接型IGBT器件又有剛性壓接型和彈性壓接型兩種形式[8-11]，相比于剛性壓接型器件，彈性壓接型IGBT器件加入了碟形彈簧組件調(diào)控壓力，因而模塊中并聯(lián)芯片的壓力分布更為均勻，器件內(nèi)部壓力差對(duì)并聯(lián)芯片特性的影響會(huì)更小。此外，彈性壓接型IGBT器件填充有機(jī)硅凝膠作為主要絕緣材料，絕緣性能比用高壓氮?dú)庾鳛橹饕^緣材料的剛性壓接型器件更為優(yōu)越。因此，彈性壓接型封裝形式在電網(wǎng)中的應(yīng)用前景更加廣闊[10]。

彈性壓接型IGBT器件的應(yīng)用工況復(fù)雜，器件的工作電壓不再是傳統(tǒng)的直流或交流電壓。在混合型直流斷路器的正常運(yùn)行狀態(tài)下，主回路上的IGBT器件長(zhǎng)期處于導(dǎo)通狀態(tài)，轉(zhuǎn)移支路上的器件關(guān)斷；故障時(shí)，轉(zhuǎn)移支路上的器件導(dǎo)通，而主回路上的IGBT器件關(guān)斷。因此，直流斷路器中的IGBT器件工作在單次關(guān)斷或?qū)ür，其電壓可以看成具有一定上升沿的非理想階躍電壓[12-13]。而在高壓直流換流閥中，IGBT器件工作處于重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，其工作電壓為正極性重復(fù)方波電壓[14-15]。同時(shí)，由于IGBT器件的封裝絕緣結(jié)構(gòu)通常采用由多種材料組合而成的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)[16]，在瞬態(tài)電壓激勵(lì)下，絕緣結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)交界面將出現(xiàn)電荷聚集現(xiàn)象[17-18]，導(dǎo)致復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中的局部電場(chǎng)加強(qiáng)，可能引發(fā)器件的局部放電、絕緣劣化和擊穿現(xiàn)象[19]，造成器件絕緣失效問題。因此，為了提升彈性壓接型IGBT器件的絕緣性能，需要掌握實(shí)際工況下器件內(nèi)瞬態(tài)電場(chǎng)的準(zhǔn)確分布。

現(xiàn)有對(duì)高壓IGBT器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)研究相對(duì)較少，通常在靜電場(chǎng)[15,20-21]或恒定電場(chǎng)[22]下進(jìn)行，沒有考慮實(shí)際工況下電場(chǎng)的瞬態(tài)特性。文獻(xiàn)[23-24]分別在單次關(guān)斷和重復(fù)性導(dǎo)通關(guān)斷工況下研究了剛性壓接型IGBT子模組中封裝絕緣結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電場(chǎng)分布，并提出了瞬態(tài)電場(chǎng)的調(diào)控方法，算法的有效性通過了具有電場(chǎng)解析解的絕緣結(jié)構(gòu)算例的驗(yàn)證，為剛性壓接型器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)[25]。然而，對(duì)于彈性壓接型IGBT器件而言，其內(nèi)部封裝絕緣結(jié)構(gòu)與剛性壓接型器件存在顯著差異，絕緣材料的選擇也不相同，在實(shí)際工況下的瞬態(tài)電場(chǎng)分布也存在一定差異，因此，需要在實(shí)際工況下研究彈性壓接型IGBT器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)的瞬態(tài)特性。

為此，本文建立彈性壓接型IGBT器件在單次關(guān)斷與重復(fù)性導(dǎo)通關(guān)斷電壓工況下瞬態(tài)電場(chǎng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，確定初值-邊值問題，采用文獻(xiàn)[25]中的瞬態(tài)邊界電場(chǎng)約束方程法，系統(tǒng)地研究彈性壓接型IGBT器件在單次關(guān)斷和重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下的電場(chǎng)分布，獲得器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)的瞬態(tài)特性。對(duì)比分析兩種工況下彈性壓接型IGBT器件各主要復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)界面電場(chǎng)與界面電荷的瞬態(tài)變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出改變鈍化層材料以提高絕緣介質(zhì)間參數(shù)匹配程度的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)器件內(nèi)部電場(chǎng)的改善。計(jì)算發(fā)現(xiàn)該方法使得器件內(nèi)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度大大降低，為彈性壓接型IGBT器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)絕緣設(shè)計(jì)提供了新的思路。

1 彈性壓接型IGBT器件內(nèi)部封裝絕緣結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電場(chǎng)計(jì)算模型與計(jì)算方法

1.1 器件的結(jié)構(gòu)

彈性壓接型IGBT器件（后文簡(jiǎn)稱器件）是將一定數(shù)目的IGBT子單元并聯(lián)在一起，以提升器件的通流能力。而一個(gè)子單元由數(shù)個(gè)IGBT子模組和快恢復(fù)二極管（Fast-Recovery Diode, FRD）子模組構(gòu)成[26]。圖1給出了4.5 kV器件的結(jié)構(gòu)，其中圖1a為整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)示意圖，藍(lán)色實(shí)線框中為包含多個(gè)IGBT芯片的子單元；圖1b為單芯片子模組（后文簡(jiǎn)稱子模組）內(nèi)部封裝絕緣結(jié)構(gòu)放大后的截面示意圖。需要說明的是，因商業(yè)保密原因，本文不便給出器件結(jié)構(gòu)的具體尺寸。

圖1 4.5 kV彈性壓接型IGBT器件的結(jié)構(gòu)[26]

從圖1b中可以看出，單芯片子模組從上到下依次為集電極、IGBT芯片、鉬片、鋁片、金屬電極、碟簧、發(fā)射極。IGBT芯片底部為芯片發(fā)射極，鍍有一層金屬鋁，與金屬電極接觸，并通過導(dǎo)流片與下方器件的發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電氣連接。芯片終端涂有鈍化層，起保護(hù)芯片和提高芯片耐受電壓的作用[27]。整個(gè)結(jié)構(gòu)放在一個(gè)外框架中，芯片周圍灌封有機(jī)硅凝膠，在提高封裝結(jié)構(gòu)絕緣性能的同時(shí)，還能起到保護(hù)芯片、密封防潮的作用[28]。

1.2 子模組的電壓工況

在單次關(guān)斷工況下，器件的工作電壓為帶有一定上升沿的非理想階躍電壓，其電壓波形如圖2所示。圖2中m為非理想階躍電壓的幅值，r為非理想階躍電壓的上升時(shí)間，即關(guān)斷過程持續(xù)的時(shí)間。

圖2 單次關(guān)斷工況的非理想階躍電壓

在重復(fù)性導(dǎo)通關(guān)斷工況下，器件的工作電壓為正極性重復(fù)方波電壓，如圖3所示。在導(dǎo)通過程中，器件中并聯(lián)的IGBT芯片瞬間開通，在μs級(jí)的時(shí)間內(nèi)，芯片中電壓迅速降為零；在導(dǎo)通狀態(tài)下，器件流通電流，不承受電壓。反之，在μs級(jí)的關(guān)斷過程中，IGBT芯片瞬間關(guān)斷，芯片兩端電壓從零瞬間上升到高電壓；在關(guān)斷狀態(tài)下，器件不流通電流，穩(wěn)定承受高電壓。圖3中，m為正極性周期方波電壓s()的幅值，為方波周期，為方波的占空比；r為方波的上升時(shí)間，是指電壓從零上升到m的時(shí)間，也就是器件關(guān)斷過程持續(xù)的時(shí)間；f為方波的下降時(shí)間，是指電壓從m下降到零的時(shí)間，也就是器件導(dǎo)通過程持續(xù)的時(shí)間。

圖3 重復(fù)性導(dǎo)通關(guān)斷工況的正極性重復(fù)方波電壓[24]

1.3 初值-邊值問題描述

在計(jì)算彈性壓接型器件的瞬態(tài)電場(chǎng)時(shí)，由于感應(yīng)電場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于庫倫電場(chǎng)[29]，滿足電準(zhǔn)靜態(tài)條件，因此瞬態(tài)電場(chǎng)的控制方程為電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)瞬態(tài)電場(chǎng)的控制方程。用標(biāo)量電位表示的瞬態(tài)電場(chǎng)的初值-邊值問題可寫為

式中，和分別為材料的介電常數(shù)和電導(dǎo)率；為時(shí)間；為電位；1為第一類高壓邊界，此時(shí)電位為()，在單次關(guān)斷工況下，()為圖2所示非理想階躍電壓，在重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下，()為圖3所示正極性重復(fù)方波電壓；2為第一類低壓邊界，電位為0 V；3為第二類齊次邊界，邊界上電位的法向?qū)?shù)為0；|=0為初始時(shí)刻的電位值，在計(jì)算中設(shè)置為0V。

1.4 邊界條件

由于子模組關(guān)于中間軸線呈左右對(duì)稱，因此本文中將子模組的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維，選擇截面的右半邊作為計(jì)算模型，具體的邊界條件如圖4所示。

圖4 彈性壓接子模組的二維數(shù)學(xué)模型及邊界條件

如圖4a所示，當(dāng)IGBT芯片處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，芯片流通電流，可近似認(rèn)為芯片的導(dǎo)通壓降為0 V，芯片相當(dāng)于導(dǎo)體。子模組的集電極、IGBT芯片、鍍鋁層、金屬電極、導(dǎo)流片和發(fā)射極的電位設(shè)為0 V，屬于第一類低壓邊界條件，即式（1）中的邊界2，在圖中用虛線標(biāo)注。子模組的左側(cè)為對(duì)稱軸，電場(chǎng)的法向分量為0；同時(shí)認(rèn)為電場(chǎng)只集中在器件內(nèi)部，故右邊界的電場(chǎng)強(qiáng)度的法向分量也為0，均為第二類齊次邊界，即式（1）中的邊界3，用綠色實(shí)線表示。

器件在關(guān)斷狀態(tài)、關(guān)斷過程和導(dǎo)通過程時(shí)，邊界條件如圖4b所示。此時(shí)IGBT芯片未導(dǎo)通，持續(xù)承受高電壓。子模組的集電極與芯片上表面為高電位；通過芯片內(nèi)部電場(chǎng)仿真可知，芯片外邊沿也為高壓邊界[30]，屬于迪利克雷邊界，即式（1）中的邊界1，在圖4中用紅色實(shí)線標(biāo)出。發(fā)射極、鍍鋁層、金屬電極、導(dǎo)流片電壓為0 V，為迪利克雷邊界，用藍(lán)色虛線表示。

整個(gè)計(jì)算區(qū)域?yàn)楦鱾€(gè)邊界包圍起來的閉合區(qū)域，共包含五種絕緣材料。在器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)計(jì)算中，通常將芯片簡(jiǎn)化成材料硅[21-22]，本文沿用了這一簡(jiǎn)化。芯片終端的鈍化層為聚酰亞胺（Polyimide, PI），外框架材料為尼龍6。模型中涉及材料的基本參數(shù)見表1。

表1 彈性壓接子模組計(jì)算模型中材料的基本參數(shù)

Tab.1 Basic parameters of materials in compliant press-pack IGBT subunit

表1中，硅凝膠和PI的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率來自本課題組的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[31]；硅的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率采用文獻(xiàn)[22]中的參數(shù)；空氣為混合物，電導(dǎo)率和介電常數(shù)沒有固定數(shù)值，但是由于空氣中大部分是氮?dú)?，因此采用文獻(xiàn)[22]中氮?dú)獾膮?shù)；尼龍6的參數(shù)來自文獻(xiàn)[32]。

1.5 彈性壓接子單元的電場(chǎng)計(jì)算方法

采用加權(quán)余量法，利用Lagrange乘子法施加邊界條件，式（1）中控制方程所對(duì)應(yīng)弱形式[33]為

式中，為權(quán)函數(shù)；為整個(gè)計(jì)算區(qū)域。

為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算界面的電場(chǎng)強(qiáng)度，采用文獻(xiàn)[20]中的瞬態(tài)邊界電場(chǎng)約束方程法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中采用有限元法和時(shí)間差分，分別對(duì)式（2）進(jìn)行空間和時(shí)間離散，再對(duì)場(chǎng)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)編號(hào)重新排序[25]。時(shí)域有限元方程可以分解成兩個(gè)方程，分別求解瞬態(tài)電位和邊界上電場(chǎng)強(qiáng)度法向分量，即

式中，為待求解的節(jié)點(diǎn)電位列向量；n為邊界節(jié)點(diǎn)的法向電場(chǎng)列向量；Δ為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)；上標(biāo)-1和分別表示第-1個(gè)和第個(gè)時(shí)刻；系數(shù)矩陣、、和中各元素的表達(dá)式見文獻(xiàn)[25]。

相鄰兩種介質(zhì)的分界面上的電荷密度可以表示為

式中，為介質(zhì)的介電常數(shù)；n為介質(zhì)邊界上的電場(chǎng)法向分量，下標(biāo)1、2區(qū)分兩種介質(zhì)，界面上的法向量的參考方向?yàn)榻橘|(zhì)1指向介質(zhì)2。

2 不同工況下器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布特性

計(jì)算中，選用一階線性三角形單元對(duì)場(chǎng)域進(jìn)行剖分。為了避免由于電壓激勵(lì)的劇烈變化引起的數(shù)值振蕩[34]，在時(shí)間差分上選用后向歐拉法。需要強(qiáng)調(diào)的是，本計(jì)算方法已被證明在器件內(nèi)部電場(chǎng)計(jì)算方面具有極高的精度[25]。

在單次關(guān)斷工況計(jì)算中，子模組承受的電壓為圖2所示的非理想階躍電壓，硅基器件的關(guān)斷過程一般為2～5 μs，因此電壓的上升時(shí)間r= 5 μs，幅值m=4 500V，計(jì)算總時(shí)間為2 500s，第一個(gè)計(jì)算時(shí)刻為= 5 μs，對(duì)應(yīng)圖2中的關(guān)斷過程末，之后的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1s。

在重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下，子模組承受的電壓()為圖3所示正極性重復(fù)方波電壓。為保證精度，每個(gè)周期選取4個(gè)點(diǎn)計(jì)算，分別為關(guān)斷過程末、關(guān)斷狀態(tài)末、導(dǎo)通過程末、導(dǎo)通狀態(tài)末。方波電壓的幅值m=4500V，占空比=0.5，方波電壓的上升時(shí)間r和下降時(shí)間f與單次關(guān)斷工況的上升時(shí)間相同。根據(jù)文獻(xiàn)[24]的仿真結(jié)果，方波電壓的頻率對(duì)于器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布影響不大，因此，計(jì)算時(shí)方波電壓的頻率=1Hz，計(jì)算總周期數(shù)為2 500。

2.1 兩種工況下界面上電場(chǎng)與電荷的變化特性

為分析子模組內(nèi)電場(chǎng)和電荷隨時(shí)間的變化，選擇芯片/PI鈍化層界面上橫坐標(biāo)為=6.66 mm的一點(diǎn)，分別在單次關(guān)斷和重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下，繪制PI鈍化層側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度模值和界面電荷密度隨時(shí)間的變化如圖5所示。

圖5 界面電場(chǎng)強(qiáng)度和界面電荷密度隨時(shí)間的變化

在芯片/PI鈍化層界面上，根據(jù)式（5）可知，界面上法向量的正方向從PI鈍化層指向芯片，界面電荷的極性為負(fù)極性。單次關(guān)斷工況下子模組持續(xù)承受高壓。根據(jù)麥克斯韋-瓦格納極化效應(yīng)，由于介質(zhì)分界面兩側(cè)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率存在差異，界面上將會(huì)積累電荷[35]。因此，隨著階躍電壓的作用時(shí)間增加，界面上積累的電荷逐漸增大，界面電荷對(duì)電場(chǎng)起增強(qiáng)作用，導(dǎo)致界面上的電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)逐漸變大[23]。隨著時(shí)間的推移，界面電荷密度大小逐漸穩(wěn)定，界面電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之趨于穩(wěn)定。

在重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下，外施電壓為正極性重復(fù)方波電壓，關(guān)斷過程和導(dǎo)通過程的持續(xù)時(shí)間達(dá)μs級(jí)，界面電荷在這兩個(gè)階段內(nèi)來不及變化；在關(guān)斷狀態(tài)下，子模組承受高電壓，與單次關(guān)斷工況相同，界面電荷逐漸積累；在導(dǎo)通狀態(tài)下，子模組不承受電壓，界面電荷逐漸消散，因此界面電荷波形為三角波形。然而關(guān)斷狀態(tài)積累的電荷無法在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)完全消散，因此一個(gè)周期內(nèi)積累的凈電荷不為零，進(jìn)而導(dǎo)致隨著時(shí)間推移，界面電荷量逐漸增大，直至達(dá)到穩(wěn)定。界面電場(chǎng)強(qiáng)度的變化波形與方波電壓的波形類似，在關(guān)斷狀態(tài)下，界面電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大；在導(dǎo)通狀態(tài)下，雖然外施電壓變?yōu)? V，但由于界面電荷的存在，子模組內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度不為零。

接下來針對(duì)兩種工況下子模組內(nèi)的電場(chǎng)和電荷的分布特性進(jìn)行研究。需要注意的是，對(duì)于重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況，如圖5b所示，在一個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷狀態(tài)末時(shí)刻的界面電荷密度和電場(chǎng)強(qiáng)度最大，有可能發(fā)生絕緣擊穿和局部放電，有必要分析此時(shí)子模組的電場(chǎng)特性；此外，導(dǎo)通狀態(tài)末的電場(chǎng)主要受界面電荷影響，也需要關(guān)注該時(shí)刻的電場(chǎng)特性。因此在重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下，選擇圖3中每個(gè)周期的導(dǎo)通狀態(tài)末和關(guān)斷狀態(tài)末兩個(gè)時(shí)刻，分析子模組中的電場(chǎng)和電荷特性。

2.2 單次關(guān)斷工況下電場(chǎng)與電荷的分布特性

2.2.1 子模組中電場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化

為了展示在單次關(guān)斷工況下，器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電場(chǎng)分布，圖6給出了不同時(shí)刻下器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布云圖。

如圖6a所示，當(dāng)= 5 μs時(shí)，子模組剛剛關(guān)斷，在外施電壓的作用下，電場(chǎng)分布云圖中芯片/鍍鋁層/PI鈍化層結(jié)合處電場(chǎng)局部加強(qiáng)，這是由于三結(jié)合點(diǎn)處的介電常數(shù)和電導(dǎo)率不連續(xù)造成的，而此時(shí)子模組中的介質(zhì)分界面來不及積累電荷，子模組中其他部分的電場(chǎng)強(qiáng)度很??；隨著時(shí)間推移，如圖6b所示，當(dāng)= 500 s時(shí)，由于芯片/PI鈍化層界面（后文簡(jiǎn)稱界面1）和PI鈍化層/有機(jī)硅凝膠界面（后文簡(jiǎn)稱界面2）上開始積累電荷，界面電荷調(diào)控電場(chǎng)，使得PI鈍化層內(nèi)部、芯片和有機(jī)硅凝膠中的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸變大。此外，由于電荷的作用，子模組的外框架中電場(chǎng)強(qiáng)度也逐漸增大；當(dāng)= 2 500 s時(shí)，界面電荷積累更多，PI鈍化層內(nèi)部、芯片和有機(jī)硅凝膠中的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步變大。綜上所述，單次關(guān)斷工況下PI鈍化層、界面1和界面2處的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，需要重點(diǎn)關(guān)注。

2.2.2 子模組中最大電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況

為研究單次關(guān)斷工況下彈性壓接型IGBT子模組中最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，圖7給出了最大電場(chǎng)強(qiáng)度的位置和模值隨時(shí)間的變化，其中圖7a為每個(gè)計(jì)算時(shí)刻下最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)的位置的疊加，紅點(diǎn)即為最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)的位置。可見，子模組中最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)的位置始終位于同一界面上，即芯片/PI鈍化層界面，因此可用橫坐標(biāo)的變化來表示位置的變化。

由圖7b可知，子模組內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度的模值隨時(shí)間逐漸增大。當(dāng)＜375 s時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度位于界面1的左側(cè)= 4.76 mm處，該點(diǎn)為芯片/鍍鋁層/PI鈍化層三結(jié)合點(diǎn)，由于介電參數(shù)不匹配，該點(diǎn)的電場(chǎng)局部加強(qiáng)；當(dāng)= 375 s時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)的位置突然沿+軸方向移動(dòng)到界面1上= 4.95 mm處；當(dāng)＞375 s時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)的位置沿+軸方向呈階梯狀移動(dòng)，這是由于界面1上的電荷對(duì)電場(chǎng)起增強(qiáng)作用，隨著積累電荷逐漸增多，界面1上的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸變大。根據(jù)2.1節(jié)得出的結(jié)論，隨著時(shí)間的推移，界面電荷分布將會(huì)逐漸穩(wěn)定，導(dǎo)致最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)的位置隨時(shí)間的變化逐漸緩慢，即最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)的位置也會(huì)逐漸穩(wěn)定不變。

圖7 最大電場(chǎng)強(qiáng)度分布

2.2.3 界面電荷分布特性

由2.1節(jié)的分析可知，隨著時(shí)間的推移，子模組內(nèi)的絕緣介質(zhì)分界面上會(huì)不斷積累電荷，導(dǎo)致電場(chǎng)的瞬態(tài)變化，因而需要關(guān)注界面上電荷密度的變化。因?yàn)樽畲箅妶?chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在界面1上，因此提取該界面上的界面電荷進(jìn)行分析。界面上法向量的參考方向?yàn)镻I鈍化層指向芯片。隨著時(shí)間的增加，界面1上的電荷密度分布如圖8所示。

由圖8可知，隨著時(shí)間的推移，界面1積累的電荷量逐漸增大。在初始階段，當(dāng)＜100 s時(shí)，界面電荷積累較少，界面1的最大電荷密度出現(xiàn)的位置為界面最左側(cè)端點(diǎn)，即三結(jié)合點(diǎn)附近；當(dāng)＞500 s時(shí)，界面1上最大電荷密度出現(xiàn)的位置逐漸向+軸方向移動(dòng)，并逐漸趨于穩(wěn)定，這與圖7b中實(shí)線的變化規(guī)律相同。

圖8 單次關(guān)斷工況芯片/PI鈍化層界面（界面1）的電荷密度分布

2.3 重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下電場(chǎng)與電荷的分布特性

2.3.1 子模組中最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

根據(jù)2.1節(jié)分析，本節(jié)選擇每個(gè)周期的導(dǎo)通狀態(tài)末和關(guān)斷狀態(tài)末兩個(gè)時(shí)刻，分析子模組中的電場(chǎng)和電荷分布特性。圖9給出了重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下子模組內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨周期數(shù)的變化情況。圖9a中不同周期關(guān)斷狀態(tài)末的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)的位置用紅色點(diǎn)標(biāo)出，導(dǎo)通狀態(tài)末的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)的位置用藍(lán)色點(diǎn)標(biāo)出。由圖9a可知，不同周期關(guān)斷狀態(tài)末，子模組內(nèi)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在界面1，即芯片/PI鈍化層界面；導(dǎo)通狀態(tài)末子模組內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度則主要出現(xiàn)在界面2，即PI鈍化層/有機(jī)硅凝膠界面。

圖9 最大電場(chǎng)強(qiáng)度的分布

在圖9b中，實(shí)線表示關(guān)斷狀態(tài)末最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)位置的橫坐標(biāo)隨周期數(shù)的變化。結(jié)果表明在不同周期關(guān)斷狀態(tài)末，最大電場(chǎng)強(qiáng)度始終出現(xiàn)在界面1的左側(cè)= 4.76 mm處，即三結(jié)合點(diǎn)處，沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移。而點(diǎn)畫線則說明子模組在導(dǎo)通狀態(tài)末的最大電場(chǎng)強(qiáng)度最開始出現(xiàn)在界面2的最右側(cè)=6.75 mm處，緊接著突然轉(zhuǎn)移至= 4.85 mm處，隨著周期數(shù)逐漸增加，沿+軸方向逐漸右移。

同時(shí)從圖9b中可以看出，在外施電壓和界面電荷的共同作用下，關(guān)斷狀態(tài)末子模組內(nèi)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度保持一個(gè)較高的數(shù)值；而在導(dǎo)通狀態(tài)下，子模組不承受電壓，內(nèi)部的電場(chǎng)分布主要由子模組內(nèi)的介質(zhì)分界面積累的電荷決定。如導(dǎo)通狀態(tài)末最大電場(chǎng)強(qiáng)度模值曲線所示，在第一個(gè)周期內(nèi)，界面電荷幾乎為零，最大電場(chǎng)強(qiáng)度也為零，隨著電荷逐漸積累，最大電場(chǎng)強(qiáng)度也逐漸增大。由于導(dǎo)通狀態(tài)末的最大電場(chǎng)強(qiáng)度模值總是小于關(guān)斷狀態(tài)末，因此關(guān)斷狀態(tài)末的子模組電場(chǎng)和電荷分布對(duì)于絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有更重要的參考意義。

由圖9和圖7對(duì)比可知，單次關(guān)斷工況和重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下，子模組內(nèi)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度總是出現(xiàn)在芯片/PI鈍化層界面上，且單次關(guān)斷工況下，最大電場(chǎng)強(qiáng)度的模值更大，出現(xiàn)的位置也會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生轉(zhuǎn)移，對(duì)器件的絕緣性能要求更高。因此在進(jìn)行器件的絕緣設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮具體的應(yīng)用工況。

2.3.2 界面電荷分布特性

由2.3.1節(jié)分析可知，在重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下，子模組中界面1和界面2上的電場(chǎng)強(qiáng)度很大，需要關(guān)注兩個(gè)界面上的電荷密度變化。不同周期關(guān)斷狀態(tài)末芯片/PI鈍化層界面上電荷密度如圖10所示。

圖10 關(guān)斷狀態(tài)末芯片/PI鈍化層界面（界面1）的電荷密度

由圖10和圖8對(duì)比可知，重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下界面1的電荷密度的變化規(guī)律與單次關(guān)斷工況下相同，但是單次關(guān)斷工況下的電荷密度數(shù)值更大，這與2.3.1節(jié)描述的子模組內(nèi)最大電場(chǎng)模值的大小關(guān)系相同。導(dǎo)通狀態(tài)末最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)的位置位于界面2，隨著時(shí)間的增加，界面2上的電荷密度分布如圖11所示。其中，該界面的法向量的參考方向從有機(jī)硅凝膠指向PI鈍化層。兩個(gè)界面的電荷密度變化規(guī)律相似。

圖11 導(dǎo)通狀態(tài)末PI鈍化層/有機(jī)硅凝膠界面（界面2）的電荷密度

3 子模組瞬態(tài)電場(chǎng)調(diào)控方法

為降低子模組內(nèi)的最大電場(chǎng)，可以采用優(yōu)化子模組內(nèi)絕緣材料介電常數(shù)和電導(dǎo)率的匹配程度的方法。根據(jù)文獻(xiàn)[36]可知，對(duì)于雙層介質(zhì)的平行板電容器結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩種介質(zhì)形狀規(guī)則且厚度已知的情況下，對(duì)其施加階躍電壓時(shí)，介質(zhì)分界面上將會(huì)出現(xiàn)電荷弛豫過程，參考文獻(xiàn)[36]中給出的電荷弛豫表達(dá)式為

式中，界面上的法向量以介質(zhì)1側(cè)指向介質(zhì)2側(cè)為正；、分別為介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率；為與介質(zhì)形狀相關(guān)的具有長(zhǎng)度量綱的常數(shù)；下標(biāo)1、2區(qū)分兩種介質(zhì)；為施加直流電壓；e為電荷弛豫時(shí)間常數(shù)，其大小不會(huì)對(duì)穩(wěn)態(tài)電荷分布造成影響。由式（6）可知，當(dāng)21?12≠0即2/2?1/1≠0時(shí)，界面上積累電荷，積累的電荷極性與這一差值的正負(fù)有關(guān)；這一差值越大，界面兩側(cè)介質(zhì)的參數(shù)匹配程度越差，積累的電荷量越多。因此，界面兩側(cè)介質(zhì)2/2?1/1的大小，可以表征穩(wěn)態(tài)條件下界面電荷的聚集程度。

IGBT芯片終端的PI鈍化層能夠有效地保護(hù)硅芯片[37]，但是本文的仿真結(jié)果表明，由于芯片和PI鈍化層界面的介電參數(shù)不匹配，即界面上2/2?1/1差值過大，界面上會(huì)積累較多電荷，使得局部電場(chǎng)強(qiáng)度過大，可能造成絕緣問題。通過2.3.1節(jié)的分析可知，單次關(guān)斷工況下子模組內(nèi)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度模值大于重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況的最大電場(chǎng)強(qiáng)度模值。因此，本節(jié)針對(duì)彈性壓接型子模組的單次關(guān)斷工況，采用改進(jìn)鈍化層材料方法來調(diào)控子模組的最大電場(chǎng)。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一種名為氮氧化硅（SiON）的薄膜材料能夠有效提高器件的阻斷電壓。另外，氮氧化硅能夠抵抗?jié)駳?，有很好的力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)特性和熱穩(wěn)定性，也適宜用作高壓器件的頂層鈍化層材料[38]。本節(jié)選用氮氧化硅材料作為鈍化層對(duì)單次關(guān)斷工況下子模組電場(chǎng)進(jìn)行重新計(jì)算，計(jì)算條件與2.2節(jié)的單次關(guān)斷工況條件相同。PI材料和氮氧化硅材料的基本參數(shù)對(duì)比見表2。其中，氮氧化硅的參數(shù)來自文獻(xiàn)[39-40]。

表2 PI材料和氮氧化硅材料的基本參數(shù)

Tab.2 Basic parameters of PI material and silicon nitride material

由表1和表2可知，相比于PI材料，氮氧化硅作為鈍化層材料時(shí)，電導(dǎo)率更大，芯片與鈍化層的界面上，2/2?1/1差值更小，穩(wěn)態(tài)條件下界面上積累的電荷也會(huì)變小。圖12給出了鈍化層材料改進(jìn)前后=2 500 s時(shí)芯片與鈍化層界面上的電荷密度分布。

圖12 改進(jìn)材料后芯片/鈍化層界面（界面1）電荷密度

由圖12可知，當(dāng)采用氮氧化硅材料作為鈍化層時(shí)，界面上的電荷密度下降3個(gè)數(shù)量級(jí)，這一結(jié)果與預(yù)期相符。當(dāng)鈍化層材料改變后，=2 500 s時(shí)子模組內(nèi)電場(chǎng)分布云圖如圖13所示。

圖13 改進(jìn)材料后子模組的電場(chǎng)分布云圖

由圖13和圖5c可知，當(dāng)計(jì)算時(shí)間=2 500 s時(shí)，子模組的電場(chǎng)分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在芯片/鈍化層/鍍鋁層的三結(jié)合點(diǎn)處上，并沒有像采用PI材料作為鈍化層時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨著時(shí)間發(fā)生變化。此外，根據(jù)電場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果可知，采用氮氧化硅作為鈍化層材料時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度模值相比于PI作為鈍化層時(shí)降低了42.7%。這是由于氮氧化硅的電導(dǎo)率更大，與芯片硅材料參數(shù)的匹配程度更好造成的。因此，合理選擇鈍化層材料，使得絕緣材料和芯片的介電常數(shù)更好地配合，有利于降低子模組封裝絕緣結(jié)構(gòu)中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低放電及絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。在此，需要指出選用氮氧化硅作為鈍化層材料時(shí)，其具體的實(shí)現(xiàn)工藝還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文從彈性壓接型IGBT子模組結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用時(shí)域有限元法，計(jì)算了子模組在單次關(guān)斷工況和重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況下，封裝絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布，主要結(jié)論如下：

1）單次關(guān)斷工況和重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況的瞬態(tài)過程中，子模組內(nèi)介質(zhì)分界面存在電荷聚集，導(dǎo)致電場(chǎng)局部增強(qiáng)。需要說明的是，在重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況的導(dǎo)通狀態(tài)下，雖然外施電壓為0，但由于界面電荷的存在，子模組內(nèi)仍具有一定的電場(chǎng)強(qiáng)度。在兩種工況下，子模組內(nèi)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度均出現(xiàn)在芯片/PI鈍化層界面上，最大電場(chǎng)強(qiáng)度模值隨著時(shí)間逐漸增大，出現(xiàn)的位置逐漸向芯片外邊沿方向移動(dòng)。

2）在不同工況下，芯片/PI鈍化層界面上相同位置的電荷密度大小順序?yàn)閱未侮P(guān)斷＞重復(fù)導(dǎo)通關(guān)斷工況的關(guān)斷狀態(tài)末＞導(dǎo)通狀態(tài)末。因此子模組內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值也呈現(xiàn)類似順序。這表明單次關(guān)斷工況下，器件發(fā)生絕緣問題的風(fēng)險(xiǎn)更大，需要重點(diǎn)關(guān)注處于單次關(guān)斷工況的彈性壓接型IGBT器件。

3）在單次關(guān)斷工況下，采用改變鈍化層材料的電場(chǎng)調(diào)控方法，通過提高絕緣材料的匹配程度，大大降低介質(zhì)分界面上積累的電荷，使得子模組內(nèi)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度降低42.7%，為彈性壓接型IGBT器件封裝絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供一種有效的可借鑒的方法。

[1] Zhan Cao, Zhu Lingyu, Liu Chenshuo, et al. Condition monitoring of high voltage press-pack igbt with on-state collector-emitter voltage[C]// Proceedings of the 21st International Symposium on High Voltage Engineering, Budapest, Hungary, 2020: 949-957.

[2] 趙子軒, 陳杰, 鄧二平, 等. 負(fù)載電流對(duì)IGBT器件中鍵合線的壽命影響和機(jī)理分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(1): 244-253. Zhao Zixuan, Chen Jie, Deng Erping, et al. The influence and failure mechanism analysis of the load current on the IGBT lifetime with bond wire failure[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(1): 244-253.

[3] 李輝, 劉人寬, 王曉, 等. 壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)方法綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(12): 2505-2521. Li Hui, Liu Renkuan, Wang Xiao, et al. Review on package degradation monitoring methods of press-pack IGBT modules[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2505-2521.

[4] 彭程, 李學(xué)寶, 張冠柔, 等. 壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(12): 2471-2481. Peng Cheng, Li Xuebao, Zhang Guanrou, et al. Design and implementation of an experimental platform for dynamic characteristics of press-pack IGBT chip[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2471-2481.

[5] 王琦, 楊張斌, 彭代曉, 等. 柔性直流輸電閥控及子模塊控制全接入試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(2): 40-47. Wang Qi, Yang Zhangbin, Peng Daixiao, et al. Design of full access test system for valve control and sub-module control of flexible direct current transmission[J]. Electrical Engineering, 2022, 23(2): 40-47.

[6] 賀之淵, 陸晶晶, 劉天琪, 等. 柔性直流電網(wǎng)故障電流抑制關(guān)鍵技術(shù)與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2021, 45(2): 173-183. He Zhiyuan, Lu Jingjing, Liu Tianqi, et al. Key technologies and prospect of fault current suppression in flexible DC power grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(2): 173-183.

[7] Zhang Jianjia, Shao Shuai, Li Yucen, et al. Arm voltage balancing control of modular multilevel resonant converter[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(4): 303-308.

[8] Li Yan, He Zhipeng, Guo Weili, et al. FEM simulation and lifetime prediction of press-pack IGBT: a review[C]//2020 4th International Conference on HVDC, Xi'an, China, 2020: 355-361.

[9] Filsecker F, Alvarez R, Bernet S. Comparison of 4.5-kV press-pack IGBTs and IGCTs for medium-voltage converters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(2): 440-449.

[10] Simpson R, Plumpton A, Varley M, et al. Press-pack IGBTs for HVDC and FACTs[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2017, 3(3): 302-310.

[11] Deng Erping, Ren Bin, Li Anqi, et al. An integrated packaging structure of press pack for high power IGBTs[C]//2019 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Shanghai, China, 2019: 243-246.

[12] 張翀, 邱清泉, 張志豐, 等. 直流混合型斷路器與直流故障限流器的匹配研究[J]. 電工電能新技術(shù), 2016, 35(9): 21-28. Zhang Chong, Qiu Qingquan, Zhang Zhifeng, et al. Study on coordination of DC hybrid circuit breaker and DC fault current limiter[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2016, 35(9): 21-28.

[13] 呂瑋, 方太勛, 楊浩, 等. 基于電弧電壓的混合型直流斷路器[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2015, 39(11): 83-87, 102. Lü Wei, Fang Taixun, Yang Hao, et al. Hybrid DC breaker based on arc voltage[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(11): 83-87, 102.

[14] 袁清云. HVDC換流閥及其觸發(fā)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[M]. 北京: 中國電力出版社, 1999: 263.

[15] Fu Pengyu, Zhao Zhibin, Li Xuebao, et al. Partial discharge measurement and analysis in PPIs[J]. IET Power Electronics, 2019, 12(1): 138-146.

[16] 付鵬宇, 趙志斌, 崔翔. 壓接型IGBT器件絕緣研究: 問題與方法[J]. 電力電子技術(shù), 2018, 52(8): 38-40, 62. Fu Pengyu, Zhao Zhibin, Cui Xiang. Study of the electrical insulation of press pack IGBT: problems and methodologies[J]. Power Electronics, 2018, 52(8): 38-40, 62.

[17] 何東欣, 張濤, 陳曉光, 等. 脈沖電壓下電力電子裝備絕緣電荷特性研究綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(22): 4795-4808. He Dongxin, Zhang Tao, Chen Xiaoguang, et al. Research overview on charge characteristics of power electronic equipment insulation under the pulse voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(22): 4795-4808.

[18] 杜伯學(xué), 張瑩, 孔曉曉, 等. 環(huán)氧樹脂絕緣電樹枝劣化研究進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(5): 1128-1135, 1157. Du Boxue, Zhang Ying, Kong Xiaoxiao, et al. Research progress on electrical tree in epoxy resin insulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(5): 1128-1135, 1157.

[19] Fu Pengyu, Zhao Zhibin, Cui Xiang, et al. Partial discharge measurement and analysis in high voltage IGBT modules under DC voltage[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2018, 4(4): 513-523.

[20] Fabian J H, Hartmann S, Hamidi A. Analysis of insulation failure modes in high power IGBT modules[C]//Fourtieth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2005 Industry Applications Conference, Hong Kong, China, 2005: 799-805.

[21] Fu Pengyu, Zhao Zhibin, Cui Xiang, et al. Electrical field analysis of press-pack IGBTs[C]//2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), Xi'an, China, 2017: 1-3.

[22] Li Jinyuan, Chen Zhongyuan, Tang Xinling, et al. Study on the issue of electric field concentration in submodule of press pack IGBT[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018, 189: 052072.

[23] 文騰, 崔翔, 李學(xué)寶, 等. 壓接型IGBT子模組在關(guān)斷過程中的電場(chǎng)瞬態(tài)特性分析與調(diào)控[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2022, 42(6): 2298-2308. Wen Teng, Cui Xiang, Li Xuebao, et al. Transient characteristics analysis and modification of electric field for press-packed IGBT submodule during turn-off process[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(6): 2298-2308.

[24] Wen Teng, Cui Xiang, Liu Sijia, et al. Characterization of electric field distribution within high voltage press-packed IGBT submodules under conditions of repetitive turn-on and turn-off[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2022, 8(2): 609-620.

[25] Wen Teng, Cui Xiang, Li Xuebao, et al. Time-domain finite element method for transient electric field and transient charge density on dielectric interface[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2020, 8(1): 143-154.

[26] 劉招成, 崔翔, 李學(xué)寶, 等. 彈性壓接型IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)對(duì)芯片內(nèi)部電場(chǎng)的影響研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2023, 43(1): 274-284. Liu Zhaocheng, Cui Xiang, Li Xuebao, et al. Influence analysis of packaging on electric field of chip in elastic press-pack IGBT device[J]. Proceedings of the CSEE, 2023, 43(1): 274-284.

[27] Trost J R, Ridley R S, Khan M K, et al. The effect of charge in junction termination extension passivation dielectrics[C]//11th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs. ISPSD'99 Proceedings (Cat. No.99CH36312), Toronto, ON, Canada, 1999: 189-192.

[28] 章堅(jiān), 葉全明. 雙組分加成型硅橡膠電子灌封料的制備[J]. 有機(jī)硅材料, 2009, 23(1): 31-35. Zhang Jian, Ye Quanming. Preparation of two-part addition cure potting silicone rubber[J]. Silicone Material, 2009, 23(1): 31-35.

[29] 王澤忠, 全玉生, 盧斌先. 工程電磁場(chǎng)[M]. 2版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2011: 329.

[30] Sweet M, Sankara Narayanan E M, Steinhoff S. Influence of cassette design upon breakdown performance of a 4.5kV press-pack IGBT module[C]//8th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2016), Glasgow, UK, 2016: 1-6.

[31] 翟賓. PEEK材料介電特性及其影響因素研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué)(北京), 2020.

[32] 羅宏昌. 靜電災(zāi)害及其分析[M]. 北京: 人民交通出版社, 1988.

[33] 王澤忠. 簡(jiǎn)明電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[34] Cao X, Kurita A, Yamanaka T, et al. Suppression of numerical oscillation caused by the EMTP-TACS interface using filter interposition[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1996, 11(4): 2049-2055.

[35] 解希順. 多層介質(zhì)極化的Maxwell—Wagner效應(yīng)[J]. 電聲技術(shù), 1994, 18(4): 7-9.

[36] Wen Teng, Cui Xiang, Li Xuebao, et al. Transient electric field of the combined insulation structure under positive periodic square waveform voltage: analytical analysis and application[J]. High Voltage, 2022, 7(5): 877-889.

[37] Stockmeier T, Roggwiller P. Novel planar junction termination technique for high voltage power devices[C]//Proceedings of the 2nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and Ics, Tokyo, Japan, 1990: 236-239.

[38] 卞錚, 李冰. 高壓高可靠性VDMOS功率器件鈍化膜工藝研究[J]. 微電子學(xué), 2008, 38(4): 497-501. Bian Zheng, Li Bing. Research on SiON passivation process for high breakdown voltage and high reliability VDMOS device[J]. Microelectronics, 2008, 38(4): 497-501.

[39] 沈莉莉, 夏鐘福, 周濤, 等. 化學(xué)表面處理對(duì)微型化的氮氧化硅駐極體層電荷儲(chǔ)存性能的影響[J]. 功能材料與器件學(xué)報(bào), 2007, 13(1): 13-17. Shen Lili, Xia Zhongfu, Zhou Tao, et al. Influence of chemical surface treatment on charge storage stability for miniature Si3N4/SiO2electret film[J]. Journal of Functional Materials and Devices, 2007, 13(1): 13-17.

[40] 杜姣龍. Si2N2O基透波陶瓷材料的制備及性能研究[D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2019.

Electric Field Transient Characteristics of High Voltage and High Power Compliant Press-Pack IGBT Device Package Insulation Structure

Liu Sijia1Wen Teng1,2Li Xuebao1Wang Liang3Cui Xiang1

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. China Electric Power Planning & Engineering Institute Beijing 100120 China 3. State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology Beijing Institute of Smart Energy Beijing 100085 China）

With the development of flexible DC transmission technology, high-voltage and high-power IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) has become an indispensable core component in DC power grid. Compliant press-pack IGBT has a wide application prospect in power grid because of its uniform pressure distribution and superior insulation performance. The calculation of the electric field distribution inside the device is an important step to improve its insulation performance. However, the transient electric field distribution under actual working conditions were not analyzed in previous studies. Therefore, the electric field distribution of the device under two working conditions is simulated, and a method to improve the matching degree of parameters between the insulating media is proposed in this paper, which can reduce the maximum electric field intensity in the device.

Firstly, based on the actual working conditions of the device, the 2D finite element model is established, and the governing equations and boundary conditions of the submodule are determined. Secondly, by using the weighted residual method, the weak form of the governing equation is obtained, which is discretized in space and time. Then all nodes in the field are reordered, and the equation is decomposed into two to solve the transient potential and the normal component of the electric field intensity on the boundary respectively. Thirdly, the electric field distribution in the IGBT device is calculated under the conditions of single turn-off and repeatable turn-on and turn-off condition. Finally, a method of improving the matching degree of dielectric constant and electrical conductivity of the insulating material in the submodule is proposed to reduce the maximum electric field.

The results show that the maximum electric field intensity in the submodule always appears at the interface of chip/PI passivation layer. Because the dielectric parameters of the insulating materials on both sides of this interface do not match, charges will accumulate. The interfacial charge affects the electric field distribution, causing the value and position of the maximum field intensity to change with time. In addition, the maximum electric field intensity under the single turn-off condition is larger than that under the repeated turn-off and turn-off conditions. Therefore, specific application conditions should be considered in the insulation design of devices. The silicon nitrous oxide material (SiON) is proposed as the passivation layer to recalculate the electric field of the submodule under single turn-off condition. The results of recalculation show that the maximum electric field appears at the joint point of chip/passivation layer/aluminized layer and does not change with time. The maximum electric field intensity of SiONas the passivation layer is 42.7% lower than that of PI as the passivation layer. This is due to the greater conductivity of SiON, which better matches the silicon parameters of the chip.

The following conclusions can be drawn from the analysis: (1) In the transient process of single turn-off and repeatable turn-on and turn-off condition, there is charge aggregation on the dielectric interface in the sub-module, which leads to local enhancement of the electric field. (2) There is a greater risk of insulation problems in the single-turn off condition, so it is crucial to pay more attention to the compliant press-pack IGBT devices in this condition. (3) By changing the passivation layer material, the matching degree of insulation material can be improved, which can reduce the maximum field intensity in the submodule.

Compliant press-pack IGBT, time domain finite element method, electric quasi-static field, single turn-off condition, repeatable turn-on and turn-off condition, electric field control method

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221474

TM211

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助（52077073）。

2022-07-30

2022-09-07

劉思佳 女，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏捍蠊β孰娏﹄娮悠骷姆庋b絕緣技術(shù)，電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。E-mail：Liusijia@ncepu.edu.cn

李學(xué)寶 男，1988年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦邏捍蠊β孰娏﹄娮悠骷庋b。E-mail：lxb08357x@ncepu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李冰）