高压大功率压接型IGBT器件并联芯片瞬态电流特性研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 24次 | 上传用户:yunpiaosifang
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随着我国新能源的发展,高压大功率压接型IGBT器件作为换流阀以及断路器中的核心器件,已经成为制约我国柔性直流输电电网建设的关键因素。研制国产高压大功率压接型IGBT器件,对于降低电网建设成本,提高清洁能源的消纳能力具有重要的意义。本文针对压接型IGBT器件的封装结构特点,研制了适用于高压大功率压接型IGBT器件的开关特性测试平台。分析了压接型IGBT器件内部封装寄生电感对多芯片并联时的瞬态电流分布特性的影响,并提出了封装结构优化方案。针对并联IGBT芯片在关断拖尾阶段的高频等离子体抽取渡越时间(Plasma Extraction Transit Time—PETT)振荡,本文提出了采用小信号分析方法研究IGBT关断拖尾阶段空间电荷区载流子引起的空间电荷效应,提出了抑制PETT振荡方法,成功抑制了大功率压接型IGBT器件在关断拖尾阶段的PETT振荡,提高了器件的可靠性。本文研制了高压大功率压接型IGBT器件开关特性测试平台,该平台具有机械压力均匀的特点。基于该测试平台,极大地促进了研发的封装和测试进度,实现了封好即测,快速准确地测量器件的开关特性。在此基础上,本文提出了同时采用开通和关断波形来提取测试平台换流回路杂散电感的方法,实现了IGBT开关特性测试平台杂散电感的准确计算,为提供权威的IGBT器件数据手册提供了基础。本文基于仿真计算和实验测量的方法,建立了凸台寄生电感的等效电路模型,揭示了凸台寄生电感对并联IGBT芯片开关瞬态电流分布特性的影响。在此基础上,提出了电流过冲最小和电流最均衡的两种凸台布局优化方法,仿真分析验证了该方法的有效性。最后,提出圆周形布局方法,这种方法实现了并联IGBT芯片开关瞬态过程中的电流分布一致和开关损耗一致。针对凸台布局对称,栅极PCB板不对称的布局方式,建立了并联IGBT芯片驱动回路的等效电路模型。基于实验测量的方法,测量了各个IGBT芯片驱动回路阻感参数,通过仿真分析和实验验证研究了栅极PCB板不对称情况下,并联IGBT芯片开通瞬态电流分布特性,并结合这部分研究结果与凸台对电流分布特性的影响,提出了双针+双层PCB板的结构,仿真结果表明,这种封装结构可以极大地改善并联IGBT芯片开通瞬态电流的一致性。本文分析了IGBT关断拖尾阶段,载流子穿过空间电荷区引起的空间电荷效应,提出采用小信号特性分析的方法研究了空间电荷区的电压、电流关系,揭示了PETT振荡与封装寄生电感、测试电压之间的关系。通过理论分析,提出了抑制PETT振荡的方法,实验结果验证了该方法的有效性。最后,将本文提出的方法应用于高压大功率的压接型IGBT器件,成功的抑制了器件在关断拖尾阶段的PETT振荡,提高了器件的可靠性,为进一步研制更大电流等级的器件奠定了基础。本文对于并联IGBT芯片瞬态电流特性的研究,促进了对并联IGBT芯片瞬态均流特性以及高频拖尾振荡的认识,可以为更高电流等级的器件研发提供参考。
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