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IGBT在未来柔直系统中的应用技术(2)


2.1  IGBT芯片并联的电路模型及均流效果
压接IGBT:因封装的限制,驱动回路和电流负载回路交叠在一起。在开通或关断的瞬间,发射极寄生电感将对芯片的内部门极电压造成影响(寄生耦合使G-E电压产生差异)并引起内部芯片的不均流。局部芯片的电气应力偏高将影响整体的可靠性及使用寿命。在文献[6]中,提出了一种相当复杂的母排设计结构,对芯片均流效果略有改善,但却建立在牺牲安装与维护、降低散热性能(仅支持单面水冷散热)的基础之上。

采用弹簧压接模式解决了安装机械应力的问题,但在单个器件失效时,却无法提供足够的压力和大面积的金属-金属接触,因此较难保证在大故障电流下的长期短路失效模式。

绑焊式IGBT模块:驱动回路和电流负载回路各自独立,最大程度上降低了寄生电感对芯片内部门极电压的影响,而C-E之间的寄生电感却有利于芯片换流路径阻抗的匹配:
 A. 对称的驱动回路设计
 B. 对称的电流负载通路设计
 C.  较小的换流路径面积(低杂散电感Ls)
 D. 较佳的内部芯片均流特性

虽然故障时绑定线容易被过流烧开成断路,令器件自身无法提供可靠的短路失效模式,但子单元端口处并联的压接型晶闸管可瞬间被开路电压击穿后保持短路,因此也是一种安全的系统级解决方案。
IGBT器件技术
2.2   系统可靠性考量
大功率IGBT都是由多个芯片并联设计而成,更大的电流等级只能依靠增加芯片的并联个数,与此同时失效率(单位时间内的失效个数,1 FIT=1失效/10^9器件小时)也会相应的成倍增加。通常影响器件失效率大小的三个因素:
    A. 芯片总有效面积(假设芯片工艺相同)
    B. 安装(机械应力)
    C. 电气应力
系统可靠性考量

其中因素B.和C.对绑焊式IGBT模块影响较小。

可靠性指标的验证需要长时间及大量资源。进行功率半导体器件的可靠性评估,最准确的方法是统计同技术类型(如:3.3kV第三代芯片)、同样应用领域(如:柔直系统)内的失效数据,但新器件、新应用往往缺乏足够的现场运行数据(器件×小时数)以给出准确的可靠性评估。

大多数应用设备,在设计初期即需要建立可靠性模型以进行可靠性预测和推算,但元器件厂商往往无法对在诸如“柔直”此类新应用给出其器件准确的可靠性统计数据或可靠性模型,或者只能引用在其他应用的统计数据,导致可靠性推算结果偏离实际情况。

另外,使用器件规格书中的“直流稳定性(DC stability)”数据进行可靠性预测也是不正确的。直流稳定性测试是为了验证高压、大电流芯片在宇宙射线影响下的失效概率,通常是将多个芯片并联,置于高能质子或中子束中进行辐照,通过调节相关参数来模拟宇宙射线对半导体器件失效的影响。其结果对施加的直流电压十分敏感,与芯片结温弱相关。因受到辐照设备能级的限制,测试结果常常统一标定为100 FIT。直流稳定性数据仍然与芯片的总有效面积成正比,而与封装形式无关。它所表征的失效概率只是整体失效原因的一部分,因此仅可以用来作为直流工作电压设计的依据,但不能用作整体可靠性评估。柔直系统可靠性研究亟待需要一个准确的科学评估模型。
准确的科学评估模型


3.  IGBT芯片技术的发展趋势及特点
内部集成可控二极管特性的逆导型IGBT芯片(RCDC)将逐步开始商业化应用,得益于芯片面积的显著提升,将有效增加33%的电流密度、大幅改善芯片的热阻特性、明显增加二极管芯片的浪涌电流耐受能力和通过降低结温纹波来增加使用寿命。

采用现有的6.5kV高压封装,可直接将电流等级从750A提高到1000A。
IGBT芯片技术的发展趋势及特点
实现二极管特性的可控需要门极驱动电压的配合,即在门极负压下二极管呈现为低导通压降特性;在门极正压下则呈现小反向恢复电荷特性。在实际工作时,则根据负载电流方向来决定是否需要发送“退饱和”脉冲给对应的“续流芯片”,因此通过控制门极信号即可同时得到最优的导通和开关损耗。
IGBT芯片技术发展
4.  IGBT封装技术的发展趋势及特点
全新的通用型高压封装XHPTM ,采用标准化、易并联封装可提供灵活的设计方案,将成为下一代产品的主流方案,适用于不同功率等级的应用。封装内部集成正负叠层母排的低电感设计,换流回路的杂散电感将降至当前水平(IHV方案)的六分之一。
 IGBT封装技术的发展趋势及特点
与IHV方案相比,可降低关断过冲(30%)和关断损耗(5%);同时在保证二极管反向恢复应力相同条件下,开通速度大幅提高且降低开通损耗(21%)。
IGBT封装技术发展
基于当前实验室的样机,4并联后各模块均流实测结果非常理想,波形如下(最大峰值不均流度2.7%)
4并联后各模块均流实测结果
5. 未来3GW柔直系统的推荐方案
通过前文介绍,多个绑焊式IGBT模块并联后并不比单个压接大封装可靠性低,而内部的驱动回路和负载通路对称则保证了芯片的均流,因此基于XHPTM的八并联设计将会是未来应用于3GW柔性直流系统具竞争力的解决方案。

XHPTM封装将推出3.3kV/450A和4.5kV/400A的产品,八并联后子单元容量为1.6kV/3600A和2.2kV/3200A,即可分别构成±420KV/3GW或±500KV/3GW的柔直系统。
未来3GW柔直系统的推荐方案
鸣谢
本文作者感谢飞仕得公司的施贻蒙先生提供XHPTM封装4并联的驱动板及测试结果
 
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