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壓接型IGBT器件封裝的電熱力多物理量均衡調控方法

1. 高壓IGBT器件封裝絕緣測試系統針對高壓IGBT器件內部承受的正極性重復方波電壓以及高溫工況，研制了針對高壓IGBT器件、芯片及封裝絕緣材料絕緣特性的測試系統（如圖1所示），可實現電壓波形參數、溫度和氣壓的靈活調控，用于研究電壓類型（交、直流、重復方波電壓）、波形參數、氣體種類、氣體壓力等因素對絕緣特性，具備放電脈沖電流測量、局部放電測量、放電光信號測量、漏電流測量及紫外光子測量等功能（如圖2所示），平臺相關參數：頻率：DC~20kHz，電壓：0~20kV，上升沿/下降沿：150ns可調，占空比：1%~99%，溫度：25℃~150℃，氣壓：真空~3個大氣壓。 2.壓接型IGBT器件并聯均流實驗系統針對高壓大功率壓接型IGBT器件內部的芯片間電流均衡問題，研制了針對壓接型IGBT器件的多芯片并聯均流實驗系統（如圖3所示），平臺具有靈活調節IGBT芯片布局，柵極布線，溫度和壓力分布的能力，可開展芯片參數、寄生參數以及壓力和溫度等多物理量對壓接型IGBT器件在開通/關斷過程芯片-封裝支路瞬態電流分布影響規律的研究，以及瞬態電流不均衡調控方法的研究；平臺相關參數：電壓：0~6.5kV，電流：0~3kA，溫度：25℃~150℃，壓力：0~50kN。圖3 壓接型IGBT多芯片并聯均流實驗 3.高壓大功率IGBT器件可靠性實驗系統隨著高壓大功率 IGBT 器件容量的進一步提升，對其可靠性考核裝備在測量精度、測試效率等方面提出了挑戰。針對柔性直流輸電用高壓大功率 IGBT 器件的測試需求，自主研制了 90 kW /3 000 A 功率循環測試裝備和100V/200°C高溫柵偏測試裝備（如圖4所示）。功率循環測試裝備可針對柔性直流輸電中壓接型和焊接式兩種不同封裝形式的IGBT開展功率循環測試，最多可實現12個IGBT器件的同時測試。電流等級、波形參數、壓力均獨立可調，功率循環周期為秒級，極限測試能力可達 300 ms，最高壓力達220 kN，虛擬結溫測量精度達±1°C，導通壓降測量精度達±2mV。高溫柵偏測試裝備可實現漏電流和閾值電壓的實時在線監測，最多可實現32個IGBT器件的同時測試。 4. 壓接器件內部并聯多芯片電流及結溫測量方法及實現高壓大功率壓接型IGBT器件內部芯片瞬態電流及結溫測量是器件多物理量均衡調控及狀態監測的基本手段，針對器件內部密閉封裝以及密集分布鄰近支路引起的干擾問題，提出了PCB羅氏線圈互電感的等效計算方法，實現了任意形狀PCB羅氏線圈繞線結構設計，設計了針對器件電流測量的方形PCB羅氏線圈（如圖5所示），實現臨近芯片電流造成的測量誤差小于1%；針對器件內部多芯片并聯芯片結溫測量，提出了壓接型IGBT器件結溫分布測量的時序溫敏電參數法，通過各芯片柵極的時序單獨控制（如圖6所示），在各周期分別進行單顆IGBT芯片結溫的測量，進而等效獲得一個周期內各IGBT芯片的結溫分布。在此基礎上，完成了集成于高壓大功率器件內部的多芯片并聯電流測試PCB羅氏線圈以及時序溫敏電參數測量驅動板的設計（如圖7所示）。 5. 自主研制高壓大功率電力電子器件面向電力系統用高壓大功率電力電子器件自主研制的需求，開展了芯片建模與篩選、芯片并聯電流均衡調控、封裝絕緣特性及電場建模以及器件多物理場調控等方面工作，相關成果支撐了國家電網公司全球能源互聯網研究院有限公司3.3kV/1500A、3.3kV/3000A以及4.5kV/3000A硅基IGBT器件的自主研制，并通過柔直換流閥用器件的應用驗證實驗，同時也支撐了世界首個18kV 壓接型SiC IGBT器件的自主研制。

華北電力大學 2021-05-10

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