高壓IGBT模塊局部放電研究現(xiàn)狀

王 昭，劉曜寧

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高壓IGBT模塊局部放電研究現(xiàn)狀

王 昭，劉曜寧

（中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710018）

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模塊一直朝著更高耐壓和更大電流密度的方向發(fā)展，因模塊內(nèi)部電氣絕緣和局部放電引起的問題也越來越明顯。在高電壓IGBT模塊封裝中，通常使用硅凝膠和環(huán)氧樹脂來對模塊進行灌注和密封，以滿足其高電場承受能力，提升整個模塊的絕緣性能和局部放電表現(xiàn)。目前很多國內(nèi)外學者已經(jīng)在這方面進行一系列研究，主要目的在于優(yōu)化IGBT模塊內(nèi)部的電場分布。本文重點介紹目前研究的幾種可以改善IGBT內(nèi)部電場分布狀態(tài)的方法，并對局部放電可靠性的提升方法進行總結(jié)。

IGBT模塊；電氣絕緣；綜述；局部放電；高壓；封裝

局部放電，是絕緣介質(zhì)中的一種氣體放電，足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但是放電限制在介質(zhì)中的部分區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道，這種放電現(xiàn)象被稱為局部放電。絕緣介質(zhì)中的某些薄弱部位在強電場的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的現(xiàn)象。雖然局部放電一般不會引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導致電介質(zhì)的局部損壞（尤其是有機介質(zhì)中）。若局部放電長期存在，在一定條件下會導致絕緣劣化甚至擊穿。對電力設備進行局部放電試驗，不僅能夠了解設備的絕緣狀況，還能及時發(fā)現(xiàn)許多有關制造與安裝方面的問題，確定絕緣故障的原因和嚴重程度[1]。

近些年來，在電力電子器件封裝方面人們?nèi)〉昧司薮筮M步，基于IGBT器件的變流器擁有更高的開關頻率和簡單的驅(qū)動電路，已經(jīng)在鐵路應用領域基本取代了傳統(tǒng)的GTO器件。IGBT器件的主要架構(gòu)是將芯片焊接在覆銅陶瓷基板（DBC）上，最后再將DBC焊接在與散熱器連接的底板上。陶瓷基板的陶瓷一般采用氧化鋁（Al2O3）或氮化鋁（AlN）材質(zhì)，因為他們都擁有良好的導熱性和很高的電氣絕緣能力。芯片的電極通過鋁線鍵合引出到DBC上，然后外部電極直接從DBC上通過焊接方式引出。這個架構(gòu)安裝外殼后，被注入一種介質(zhì)膠體起保護緩沖作用，并保證器件的絕緣和抑制局部放電的產(chǎn)生，封裝的最后使用環(huán)氧樹脂進行密封。模塊通過內(nèi)部的PCB板連接到驅(qū)動電路上。

由此可知，IGBT模塊中有三個主要的介電系統(tǒng)，一是陶瓷基板，使用氧化鋁（Al2O3）或氮化鋁（AlN）（高壓通常使用AlN）；二是封裝用的硅膠（Silicone gel），其作用是防止模塊局部放電或擊穿；三是前面兩個介質(zhì)的界面處。因此，IGBT模塊也可以看作是介質(zhì)材料的積累，同樣可以用局部放電的情況來衡量其介質(zhì)可靠性。局部放電現(xiàn)象通常發(fā)生在絕緣材料的缺陷孔洞處，當施加電壓超過一定閾值時，由于電場的不均勻分布，引起介質(zhì)發(fā)生擊穿和放電現(xiàn)象。局部放電會引起燒蝕、溫升或臭氧和氮氧化物產(chǎn)生，會降低介質(zhì)材料的壽命，最終影響IGBT器件的使用壽命[2-6]。

高壓IGBT模塊的電壓等級已達到6.5 kV，隨之而來的是對模塊絕緣和局部放電性能更高的要求。然而目前人們通過對上述主要的陶瓷介質(zhì)和硅膠介質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，對絕緣和局部放電影響最大的因素就是覆銅陶瓷基板（DBC），陶瓷介質(zhì)的選擇直接影響了器件的絕緣和耐壓等級，所以高壓條件下首先須保證DBC的絕緣和老化表現(xiàn)。其次就是硅膠介質(zhì)，通常使用硅膠對IGBT模塊進行電氣絕緣保護，主要是因為它擁有良好的導熱、機械和電學性能。

人們通過研究發(fā)現(xiàn)，IGBT模塊內(nèi)部電場分布并不均勻，局部電場過高就可能會引起器件發(fā)生局部放電，對絕緣介質(zhì)的屬性造成損害，最終可能導致器件絕緣失效，降低器件的使用可靠性。因此，IGBT模塊內(nèi)部局部電場過高已成為導致局部放電或擊穿發(fā)生的重要原因之一[7-10]。本文主要對引起局部放電的因素進行展開，分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的源頭，并分析總結(jié)了人們研究的幾種可以改善模塊局部放電的途徑和方法。

1 測試方法

1.1 絕緣和局部放電測試

絕緣是測試IGBT模塊的絕緣耐壓能力，局部放電是測試模塊內(nèi)部是否有氣泡、氣縫或是硅膠中是否有雜質(zhì)等。

圖1為IEC 1287標準中定義的電氣絕緣和局部放電測試循環(huán)示意圖[11]。其中，絕緣測試的測試電壓是在prms（rms表示電壓有效值）保持1 min，其表達式為：

式中：Um是指IGBT模塊可容許的最高阻斷電壓。以6.5 kV IGBT模塊為例，絕緣測試必須在10.5 kV rms電壓下進行。絕緣測試局部放電測試中，先使用的交流電壓1 min，然后電壓降至保持30 s，在測試循環(huán)的最后5 s，局部放電的電荷積累必須小于10 pC。局部放電測試的操作頻率必須是50 Hz或60 Hz。對于6.5 kV IGBT模塊，局部放電的測試電壓為5.1 kV rms。其中，測試循環(huán)第一階段較高電壓下可能產(chǎn)生的局部放電積累必須在第二階段中被清除。

在絕緣和局部放電測試過程中，IGBT模塊的外部電極統(tǒng)一短接在一起，高壓被施加在底板和電極之間。整個測試的簡化電路如圖2所示[12-14]。

圖2 局部放電測試電路

1.2 局部放電的位置

IGBT模塊中局部放電發(fā)生的位置已經(jīng)被研究人員普遍認可，在高電壓情況下，DBC的陶瓷銅金屬層的邊緣處會因為過高的電場強度引發(fā)局部放電[15]。在對局部放電現(xiàn)象進行研究和觀測時，人們通常會搭建一個簡易的樣品測試結(jié)構(gòu)（圖3所示），對IGBT內(nèi)部可能會影響局部放電的各種因素進行研究，如陶瓷介質(zhì)、硅膠和DBC結(jié)構(gòu)等。

如圖4所示，通過對DBC的高壓測試進行仿真分析和發(fā)光位置測試，也證實了電場強度峰值出現(xiàn)在DBC陶瓷與銅金屬層的界面邊緣處。為了降低局部放電的影響，人們對絕緣介質(zhì)材料的要求非常高，如硅膠的介電強度已達到15×106V/mm。

圖3 測試樣品的結(jié)構(gòu)[15]

圖4 施加高壓的DBC基板 (a)仿真計算得到的電場分布情況[16](b)在硅膠中的局部放電的發(fā)光位置[17]

2 研究現(xiàn)狀

陶瓷基底的質(zhì)量、硅膠的使用環(huán)境溫度和濕度也都是影響局部放電的重要因素，然而盡管如此，制約IGBT模塊局部放電最關鍵部位仍然是在陶瓷基底與銅金屬層邊緣，所以在這個位置的硅膠就不僅僅是防止自身內(nèi)部放電，還要有防止基板與銅層邊緣放電的作用，許多研究人員也認為IGBT模塊局部放電的主要來源就是在陶瓷基板、銅層與硅膠的界面處[9-10,15]。

因此可以從兩個方面入手來研究和解決這個問題，一是對DBC基板進行改進，使用絕緣性能更好的介質(zhì)材料（不限于陶瓷材料）[18-20]，對現(xiàn)有陶瓷基板的模型結(jié)構(gòu)進行改進，削弱陶瓷基板銅層邊緣的電場強度，使電場分布更加均勻，將電極邊緣電場強度降低到膠體介質(zhì)材料所能容忍的限度[9-10,16,21-23]；二是對硅膠介質(zhì)體系進行改進，尋找可以與DBC介質(zhì)更加匹配的膠體材料，緩解膠體介質(zhì)中的局部放電現(xiàn)象[17,24-29]。

Auge等[19]分別使用了硅膠和其他五種不同油液對氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和玻璃環(huán)氧復合物等DBC的基板進行灌封實驗，并進行了局部放電的測試。實驗的目的就是為了弄清楚局部放電的根源。實驗發(fā)現(xiàn)局部放電的現(xiàn)象有很大一部分是與陶瓷基底本身有關，陶瓷質(zhì)量的優(yōu)劣會直接影響局部放電測試結(jié)果。同時還發(fā)現(xiàn)局部放電并不是發(fā)生在封裝的硅膠材料中，而是產(chǎn)生于燒結(jié)的陶瓷材料中。局部放電的起因多是與陶瓷基本的屬性有關，陶瓷在燒結(jié)過程中內(nèi)部產(chǎn)生的空洞可能是引起局部放電的重要原因之一，如圖5所示。替換不同的陶瓷基底對局部放電影響很大，然而替換灌封的膠體介質(zhì)并沒有特別明顯的影響。

圖5 AlN陶瓷表面的掃描電鏡照片，孔洞大小約1 mm

Dutarde等[18]分別采用氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）陶瓷的DBC基板進行研究，分別測試了它們在絕緣、局部放電和材料老化等方面的表現(xiàn)。測試的結(jié)果顯示AlN的耐擊穿強度比Al2O3高出很多，而且陶瓷厚度越薄，其耐擊穿能力越好。放電起始電壓（DIV）卻被發(fā)現(xiàn)是獨立于材料性質(zhì)的存在，因為測量中只有表面觸發(fā)的局部放電，這些放電主要取決于電極的曲率半徑。放電起始電壓的測量結(jié)果是14.2 kV（2 mm樣品）和13.2 kV（1 mm樣品）。

關于陶瓷表面銅層的形狀對局部放電的影響也有大量的相關研究。Frey等[10]在研究IGBT模塊局部放電現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)，當銅層的邊緣形狀改進后，其邊緣的電場過高現(xiàn)象就會得到明顯改善。仿真后發(fā)現(xiàn)，當銅層的尖銳倒角形狀被做成圓角時，其邊緣的電場強度最大值由76×106V/m降低到17×106V/m，其效果非常明顯。同樣的結(jié)果在Jany等[21]的研究中也得到了證實，結(jié)果如圖6所示。Ebke等[22]在對電極的整體形狀進行研究時，發(fā)現(xiàn)圓形銅電極的局部放電效果優(yōu)于方形，主要是方形的邊角處電極的形狀過于尖銳引起的。

關于在DBC陶瓷和銅層界面處進行介質(zhì)層沉積來改善其局部放電的報道也有很多。Mitic等[16]在研究中發(fā)現(xiàn)，在DBC陶瓷邊緣沉積一層高阻的摻雜非晶硅a-Si:H，結(jié)構(gòu)如圖7所示，在電壓11 kV進行局部放電測試時，可以很明顯看到，陶瓷基板銅層邊緣電場更加均勻，有效削弱邊緣的電場峰值。然而沒有非晶硅層的模塊進行測試時，在電壓3~4 kV時就出現(xiàn)了局部放電迅速增加。a-Si:H層的加入有效降低了DBC邊緣的電場峰值，并且在局部放電測試中，電壓達到10 kV時局部放電電荷積累也沒有超過10 pC。

圖7 陶瓷邊緣制作非晶硅層的結(jié)構(gòu)示意圖[16]

Frey等[9]使用一層阻抗低于硅膠和DBC陶瓷的的介質(zhì)薄膜，將其沉積在陶瓷的表面，可以很明顯地抑制銅層邊緣的電場強度，電極邊緣的電場強度最大值可以由沉積薄膜前的20×106V/m降低到9×106V/m，其改進的效果也是非常顯著。電場分布如圖8所示。

圖8 DBC陶瓷表面沉積阻性層的電場分布[10]

Donzel等[23]也使用在DBC表面沉積介質(zhì)薄膜的思路，他們使用ZnO摻雜的聚酰亞胺作為陶瓷外的非線性介質(zhì)層，同樣得到了明顯的陶瓷周邊電場峰值減弱現(xiàn)象，而且非線性介質(zhì)層比高介電常數(shù)介質(zhì)層的效果更好。在DBC銅層邊緣處硅膠中的電場強度可以被降低到6×106V/m。電場分布如圖9所示。

圖9 DBC陶瓷表面沉積聚酰亞胺薄膜的電場分布[23]

其次，對灌封介質(zhì)的絕緣和局部放電研究也有很多。Vu等[27]先后對各種不同的灌封介質(zhì)液體測試了局部放電，并與硅膠的局部放電情況進行對比。三種不同膠體和液體的技術參數(shù)如表1中所示。

表1 硅膠和其甩油液的技術參數(shù)

這些膠體和液體的測試結(jié)果顯示，局部放電的起始電壓會隨著膠體或液體的屬性變化而發(fā)生巨大改變，從圖10中可以看出，硅膠的局部放電起始電壓最小，在硅膠中會最快產(chǎn)生局部放電的電荷積累。而電容器液則有最高的局部放電起始電壓。

圖10 在不同介質(zhì)膠體和液體中測得的平均放電電流

Wang等[26]研究人員使用鈦酸鋇粉體與硅膠的復合來對以往封裝的硅膠進行替換，以此來降低在覆銅陶瓷基板邊緣的電場強度，從而增加局部放電的起始電壓。經(jīng)測試表明，鈦酸鋇復合的硅膠的介電常數(shù)比純硅膠的介電常數(shù)大，并且表現(xiàn)出介電可調(diào)效應，即介電常數(shù)隨電場改變而變化。作者不但在理論分析上證明了IGBT模塊中注入復合硅膠確實可以降低DBC邊緣電場強度，并且在一些商業(yè)化的3.3 kV模塊中使用復合硅膠來進行測試，測試結(jié)果如表2所示。同時還測試了復合硅膠的粘性、損耗和熱導性等，驗證了其在工業(yè)制造過程中的適用性。

表2 3.3 kV商用模塊中注入純硅膠和復合硅膠時，局部放電起始電壓

Tab.2 Partial discharge inception voltages of actual 3.3 kV modules with filled and unfilled silicone gel

在作者之前的研究中也發(fā)現(xiàn)[29]，對BaTiO3復合硅膠覆蓋的DBC的電場分布進行分析，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 在純硅膠和復合硅膠中AlN基片表面電場強度對比[29]

從純硅膠和復合硅膠模型的仿真結(jié)果可以看出，在AlN和銅金屬化層界面邊緣處的最大電場強度由9.96×106V/m降低到8.16×106V/m，電場強度峰值降低達18%。

3 結(jié)束語

在IGBT模塊的例行測試標準中，絕緣和局部放電測試是必測項目，局部放電測試的優(yōu)劣能直接反映出器件在日后高壓使用環(huán)境下的可靠性。目前IGBT器件在其介質(zhì)材料發(fā)展方面主要受制于制造技術和商業(yè)化水平。只有通過對新型介質(zhì)材料和新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)和商業(yè)化，才能最大限度地促進IGBT器件在可靠性方面的改善，拓展其應用空間。

IGBT模塊內(nèi)部電場分布不均勻的情況普遍存在，主要受限制于覆銅陶瓷基板的材料和結(jié)構(gòu)，以及封裝使用的介質(zhì)材料。本文通過對關于IGBT模塊局部放電現(xiàn)象的研究進行分析和總結(jié)，得到目前研究常用的幾種改善IGBT內(nèi)部電場分布狀態(tài)的方法。概括來說可以通過兩個方向來研究緩解局部放電的方法，一是對覆銅陶瓷基板的改進，主要是使用介電能力更好，制備質(zhì)量更高的材料對中間介質(zhì)陶瓷進行替換，或是對其表面的銅層電極形狀和邊緣進行改進；二是改進其灌封使用的介質(zhì)膠體，使用其他膠體或液體進行替換，或是直接對硅膠進行摻雜和改進。同時，在相關的此類研究中，研究人員大量使用有限元分析方法，分析IGBT模塊中電場的分布情況，這是一種快捷有效的計算方法。

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（編輯：陳豐）

Actuality of partial discharge in high voltage IGBT modules

WANG Zhao, LIU Yaoning

(CRRC Yongji Electric Co., Ltd, Xi’an 710018, China)

The IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) modules have been developed for much higher voltage and current density, which leads to serious problems concerning the electrical insulation and partial discharge. The silicone gel and epoxy resin are usually used in the encapsulation of high voltage IGBT module to meet the capability of high electric filed, ensuring performances in the insulation and partial discharge. So far, many efforts have been done to optimize the electric field distribution inner the module. This paper mainly focus on the introductions of these solutions，which could improve the electric field distribution inner the module; Meanwhile, the perspectives are summarized for improving the reliability in partial discharge.

IGBT module; electrical insulation; review; partial discharge; high voltage; encapsulation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.002

TM215.92

A

1001-2028（2017）10-0012-07

2017-06-19

王昭

王昭（1987－），男，陜西西安人，博士，工程師，主要從事IGBT模塊封裝和工藝研究，E-mail: wangz_crrc@163.com ；劉曜寧（1988－），男，山西永濟人，碩士，工程師，研究方向為IGBT模塊焊接工藝工序，E-mail: 365317813@qq.com。

2017-09-27 10:57

網(wǎng)絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1057.002.html