壓接型IGBT芯片動態(tài)特性影響因素實驗研究

彭 程， 李學寶， 曹子楷， 顧妙松， 唐新靈， 趙志斌， 崔 翔

(1.新能源國家重點實驗室(華北電力大學)北京 102206；2.國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院， 杭州 310016；3.先進輸電技術國家重點實驗室(國網智能電網研究院有限公司)，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,在高壓大功率電力變換領域具有廣闊的應用前景[1,2]。由于目前單顆IGBT芯片通流能力有限,壓接型IGBT器件內部通過大規(guī)模的IGBT芯片并聯(lián)連接來提高電流等級[3,4],圖1給出了某款3.3kV/1 500A剛性壓接型IGBT器件的結構示意圖。

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

關于IGBT動態(tài)特性及其影響因素已有很多相關的研究,但目前研究對象大多集中焊接IGBT模塊,同時影響因素主要集中于寄生參數(shù)、驅動參數(shù)及溫度等[8-10]。這些研究對于推動焊接IGBT模塊可靠運行具有積極作用。但是壓接型IGBT器件與焊接IGBT模塊封裝有顯著的差別,前者功率等級更大,內部多物理量環(huán)境更加復雜,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]。另外在芯片結構上,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械壓力,其內部的MOS結構更為復雜[13]。這些結構上的差異導致現(xiàn)有焊接IGBT模塊的相關結論不能直接應用到壓接IGBT上,需要對壓接型IGBT芯片進行系統(tǒng)的實驗研究。遺憾的是,目前針對壓接型IGBT器件內部芯片動態(tài)特性及其影響因素的研究還很少有文獻報道。為此全面研究壓接型IGBT芯片的動態(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)境因素靈活調節(jié)的壓接型IGBT單芯片動態(tài)特性實驗平臺,測量獲得了母線電壓、負載電流、驅動電阻、溫度及機械壓力等因素下IGBT芯片動態(tài)特性實驗波形,分析了不同影響因素對IGBT芯片動態(tài)特征參數(shù)的影響規(guī)律,掌握了不同影響因素對芯片動態(tài)特性的影響程度,研究結果可以為高壓大功率IGBT芯片建模及規(guī)?；⒙?lián)芯片的封裝設計提供指導。

1 IGBT芯片動態(tài)特性實驗平臺

在IGBT動態(tài)特性的測試中,一般采用IEC標準中的雙脈沖測試電路[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驗回路兩部分。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K1和K2,充放電回路為母線電容Cbus提供實驗回路所需的母線電壓。在實驗回路中,IGBT為被測對象,FRD為續(xù)流二極管,Lload為負載電感。在上述雙脈沖電路結構下,IGBT芯片的典型開關波形如圖2(b)所示。為了表征芯片的動態(tài)特性,按照IEC標準定義了典型的開關過程波形參數(shù),各參數(shù)的定義如表1所示。

表1 IGBT動態(tài)特征參數(shù)Tab.1 IGBT dynamic characteristic parameters

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

為了能夠實現(xiàn)不同影響因素下壓接型IGBT芯片動態(tài)特性的研究,本文作者基于圖2(a)的測試原理研制了圖3所示的實驗平臺。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芯片結溫誤差由25.60%降低到0.27%[15],同時能夠保證實驗平臺其他電氣元件不受到溫度的影響。該平臺可以實現(xiàn)母線電壓、負載電流、驅動電阻、溫度及機械壓力等參數(shù)靈活可調的能力,根據(jù)被測壓接型IGBT芯片的工作條件,實驗平臺主要參數(shù)及影響因素設置范圍如表2所示。

表2 動態(tài)特性實驗平臺參數(shù)Tab.2 Parameters of dynamic characteristics test platform

圖3 雙脈沖實驗平臺Fig. 3 Double pulse test platform

實驗平臺測量部分包括：測量vCE的探頭型號為PPE4kV,測量vGE的探頭型號為PP018,測量電流的羅氏線圈型號為CWT-Ultra mini06,示波器型號為HDO4104A,實驗前對各探頭進行了校準[16]。

2 IGBT芯片動態(tài)特性實驗結果

2.1 不同母線電壓

為了研究不同母線電壓VCE對IGBT動態(tài)特性的影響規(guī)律,設負載電流為55 A、驅動電阻為40 Ω,機械壓力為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載電流,可通過改變第一個脈沖的寬度實現(xiàn),IGBT導通時,負載電流的計算公式如式(1)所示。

(1)

由于母線電容的容值較大,實驗過程中認為母線電壓vbus幾乎不變,則電流與時間成線性關系,即

(2)

從(2)式可知,充電時間t與vbus成反比。如圖4所示,通過調整第一個脈沖寬度即可得到相同電流下的波形;圖5展示了3個母線電壓下的關斷與開通波形;圖6提取了不同母線電壓下動態(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斷過程Fig. 5 Turn on and off process under different bus voltages

圖6 母線電壓對動態(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影響密勒平臺的寬度,VCE越高,密勒平臺越寬。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信息,此結論為監(jiān)測iC電流過沖提供了一個新的測量思路。

2.2 不同負載電流

為了研究不同負載電流IC對IGBT動態(tài)特性的影響規(guī)律,設母線電壓為2 000 V,驅動電阻為40 Ω,機械壓力為1 kN,溫度為25 ℃,負載電流分別為28 A、41 A、55 A、67 A和80 A。如圖7所示,通過調整第一個脈沖寬度,可獲得不同負載電流下的雙脈沖波形,圖8展示了3個負載電流下的關斷與開通波形,圖9提取了不同負載電流下動態(tài)特征參數(shù)。

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

圖8 不同負載電流下開通關斷過程Fig. 8 Turn on and off process under different load current

圖9 負載電流對動態(tài)特征參數(shù)的影響Fig. 9 Influence of load current on dynamic parameters

圖9(a)看出關斷延時tdoff隨著負載電流IC的增大而增大,這個過程包含vCE電壓上升階段,此階段是IGBT內部在建立空間電荷區(qū),原有的載流子遷移出電導調制區(qū),當電流等級增大時,空間電荷區(qū)的建立時間增加。電流下降時間tf幾乎不變,原因在于電流下降階段,IGBT內部MOS溝道已經完全關閉,電流下降不再受到驅動電壓的控制,僅由IGBT芯片內部的載流子壽命決定。因此,tf幾乎不變,導致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電流構成,此電流嚴格受到柵極電壓的控制,因為柵極條件未變,所以電流的上升率不變。結果導致tr隨著IC線性增大。另外,可以觀察到iC的過沖和iG的過沖時間上能夠一一對應,進一步證明可以通過iG反映iC的信息。圖9(c)看出隨著IC的增大,Eoff和Eon同時增大,但Eon增長更快,原因在于IC增大會引起電壓拖尾進而導致?lián)p耗增大,結合后面圖10(b)看出通過減小RG能夠減小電壓拖尾。

圖10 不同驅動電阻下開通關斷過程Fig. 10 Turn on and off process under different gate resistor

2.3 不同驅動電阻

為了研究不同驅動電阻RG對IGBT動態(tài)特性的影響規(guī)律,設母線電壓為1 200 V,負載電流為55 A,機械壓力為1 kN,溫度為25 ℃,驅動電阻分別為10 Ω、20 Ω和40 Ω進行雙脈沖實驗,圖10顯示了不同驅動電阻下的雙脈沖關斷與開通波形,圖11提取了不同驅動電阻下動態(tài)特征參數(shù)。

圖11 驅動電阻對動態(tài)特征參數(shù)的影響Fig. 11 Influence of gate resistor on dynamic parameters

圖11(a)看出關斷延時tdoff隨著RG的增大而增大,原因在于圖10(a)中RG影響了iG,導致IGBT內部的彌勒電容CGC放電時間變長。電流下降斜率diC/dt幾乎不變,原因在于此時電流下降不受柵極電壓的控制,僅由內部載流子壽命決定。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電流主要為其內部的MOS溝道電流,此電流嚴格受到柵極電壓vGE的控制,圖10(c)可以看出RG影響vGE的整個充電過程,因此RG增大導致tdon和tr同時增大。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對壓接型IGBT芯片動態(tài)特性的影響規(guī)律,設母線電壓為2 000 V,機械壓力為1 kN,負載電流分別為55 A,加熱板溫度分布設為25 ℃、50 ℃、75 ℃、100 ℃和125 ℃。圖12展示了3個溫度條件下的關斷與開通波形,圖13提取了不同溫度下動態(tài)特征參數(shù)。

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

圖13 溫度對動態(tài)特征參數(shù)的影響Fig. 13 Influence of temperature on dynamic parameters

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

2.5 不同機械壓力

為了研究不同機械壓力F對壓接型IGBT芯片動態(tài)特性的影響規(guī)律,設置電流為55 A,母線電壓為2 000 N,驅動電阻為40 Ω,溫度為25 ℃,機械壓力分別為1 kN、1.5 kN、2 kN、2.5 kN和3 kN。圖14展示了3個機械壓力下的關斷與開通波形,圖15提取了不同機械壓力下動態(tài)特征參數(shù)。

圖14 不同機械壓力下開通關斷過程Fig. 14 Turn on and off process under different press

圖15 機械壓力對動態(tài)特征參數(shù)的影響Fig. 15 Influence of press on dynamic parameters

圖15(a)關斷過程隨著機械壓力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芯片動態(tài)特性不受機械壓力影響的主要原因是對IGBT芯片內部結構進行了特殊設計,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MOS溝道的影響,第二是有源區(qū)額外增加了薄的金屬鋁,對芯片表面起到了壓力緩沖的作用。這兩個措施有效避免了壓力對IGBT動態(tài)特性的影響[14]。

3 不同影響因素對比

為了量化每個影響因素對動態(tài)特征參數(shù)的影響程度,選取兩個時間參數(shù)toff和ton、兩個能量參數(shù)Eoff和Eon,分別提取各個動態(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,匯總結果如表3所示。針對上述4個動態(tài)特征參數(shù),繪制不同影響因素對比直方圖,如圖16所示。

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

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

從表3和圖16可以看出,母線電壓VCE和負載電流IC除了直接影響關斷損耗Eoff和開通損耗Eon外,母線電壓VCE主要影響關斷過程,關斷時間toff變化率為23.11%;負載電流IC主要影響開通過程,開通時間ton變化率為31.63%;除此之外,驅動電阻RG主要影響開通過程,開通時間ton變化率為52.7%,對關斷損耗Eoff和開通損耗Eon相差不大,分別為23.8%和20.7%;溫度T對開通過程有較明顯的影響,其中開通時間ton變化率為10.4%,開通損耗Eon變化率為13.4%;機械壓力F對開通關斷過程的影響作用都很小,時間參數(shù)保持在2%以內。

4 結 論

本文針對壓接型IGBT芯片,研制了基于雙脈沖的動態(tài)特性實驗平臺;然后在不同母線電壓、負載電流、驅動電阻、溫度及機械壓力下對壓接型IGBT芯片進行了動態(tài)特性測試;得到了不同影響因素對壓接型IGBT芯片動態(tài)特征參數(shù)的影響規(guī)律,實驗結果對IGBT芯片建模及安全運行具有指導意義?；趯嶒灲Y果,得到如下主要結論：

(1)不同影響因素對壓接型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斷過程,負載電流、驅動電阻和溫度主要影響開通過程,機械壓力對開通關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)影響開通和關斷過程機制不同的主要原因是由其內部MOS溝道和載流子壽命決定,對雙脈沖波形不同階段進行了機理解釋,實驗波形對指導高壓IGBT芯片建模具有指導意義。

(3)分析雙脈沖動態(tài)特性測試波形,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)測時,可以通過測量iG反應運行狀態(tài)的部分信息。