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基于有限元方法的地表电位分析

现代电力 2013年第3期30卷 65-68页

作者：唐新灵姜建国乔树通上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海200030

针对特高压直流输电系统单极大地回路运行时会引起直流偏磁等严重后果的问题,提出用有限元方法来分析水平分层土壤的地表电位分布规律;输电线路沿途含有山川、河流、湖泊对地表电位分布的影响,以及靠近沿海地区地电位的分布情况。研究... 详细信息

针对特高压直流输电系统单极大地回路运行时会引起直流偏磁等严重后果的问题,提出用有限元方法来分析水平分层土壤的地表电位分布规律;输电线路沿途含有山川、河流、湖泊对地表电位分布的影响,以及靠近沿海地区地电位的分布情况。研究结果表明:在处理水平分层土壤模型时有限元分析的结果很好地反映了地电位分布的规律;地理环境的变化对地电位只在小范围内有一定影响,在整体上对地电位分布影响不大;沿海地区的地表电位变化明显,变化率大于非沿海区域,解释了沿海地区直流偏磁严重的原因。

关键词：特高压直流输电有限元法地表电位分布规律地形环境变压器直流偏磁

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功率器件封装结构热设计综述

中国电机工程学报 2024年第7期44卷 2748-2773,I0020页

作者：王磊魏晓光唐新灵林仲康赵志斌李学宝北京智慧能源研究院北京市昌平区102209 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206

半导体技术的进步使得芯片的尺寸得以不断缩小,倒逼着封装技术的发展和进步,也由此产生了各种各样的封装形式。当前功率器件的设计和发展具有低电感、高散热和高绝缘能力的属性特征,器件封装上呈现出模块化、多功能化和体积紧凑化的发... 详细信息

半导体技术的进步使得芯片的尺寸得以不断缩小,倒逼着封装技术的发展和进步,也由此产生了各种各样的封装形式。当前功率器件的设计和发展具有低电感、高散热和高绝缘能力的属性特征,器件封装上呈现出模块化、多功能化和体积紧凑化的发展趋势。为实现封装器件低电感设计,器件封装结构更加紧凑,而芯片电压等级和封装模块的功率密度持续提高,给封装绝缘和器件散热带来挑战。在有限的封装空间内,如何把芯片的耗散热及时高效地释放到外界环境中以降低芯片结温及器件内部各封装材料的工作温度,已成为当前功率器件封装设计阶段需要考虑的重要问题之一。该文聚焦于功率器件封装结构的散热方面,针对功率半导体器件在散热路径方面的结构设计进行归纳总结。通过对国内外功率器件封装结构设计的综述,梳理功率器件封装结构设计过程中在散热方面的考虑及封装散热特点,并根据功率器件散热特点对功率器件封装结构类型进行分类。最后,基于降低封装结构散热热阻、提高器件散热能力的目的,从高导热封装材料和连接工艺、芯片面接触连接、增加散热路径以及缩短散热路程4个方面对功率器件封装结构设计在散热方面未来的发展趋势进行展望。

关键词：功率器件封装结构散热路径

外部汇流母排对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流特性的影响

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中国电机工程学报 2020年第1期40卷 234-245页

作者：顾妙松崔翔彭程唐新灵杨艺烜李学宝赵志斌新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 全球能源互联网研究院北京市昌平区102209

压接型IGBT器件内部芯片之间的动态均流特性直接影响着IGBT器件的坚固性与可靠性。考虑到并联均流实验的困难,现有的压接型IGBT芯片级并联均流研究通常都是通过提取器件内部封装结构的寄生参数,并结合IGBT芯片的等效电路模型,在电路仿... 详细信息

压接型IGBT器件内部芯片之间的动态均流特性直接影响着IGBT器件的坚固性与可靠性。考虑到并联均流实验的困难,现有的压接型IGBT芯片级并联均流研究通常都是通过提取器件内部封装结构的寄生参数,并结合IGBT芯片的等效电路模型,在电路仿真环境中开展的,不考虑器件外部电磁条件对器件内部电流分布的影响。然而,该文通过9枚压接型IGBT芯片的并联均流实验发现,各个通流支路之间存在显著的动态电流不均衡,而且电流的分布特性不仅与内部并联芯片的相对位置有关,还与连接器件的外部汇流母排存在明显的关联。为了揭示器件内部电流分布特性与外部汇流母排之间的耦合关系,该文对被测器件与外部汇流母排进行三维有限元建模,从频域和时域2个方面,计算IGBT器件内部的电磁场分布特性。频域计算表明,由于外部汇流母排与内部并联芯片存在磁场耦合(即电感耦合),当频率超过一定数值后,外部汇流母排会对各个通流支路的电流产生显著影响。时域计算进一步再现了并联均流实验中外部汇流母排对各个通流支路上动态电流分布的影响规律。结果表明,在压接型IGBT器件的设计和应用中,不仅需要关注器件内部芯片间的相对位置对动态均流特性的影响,同时也要关注外部汇流母排引入的电磁不对称性。最后提出一种对称化的母排设计方案,并通过三维有限元计算,证实对称化母排设计可明显改善器件内部的动态均流特性。

关键词：压接型IGBT 并联均流汇流母排涡流场计算

压接型IGBT器件短路失效管壳爆炸特性及防护方法

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中国电机工程学报 2024年第6期44卷 2350-2361,I0023页

作者：周扬唐新灵王亮张晓伟代安琪林仲康金锐魏晓光先进输电技术国家重点实验室(北京智慧能源研究院) 北京市昌平区102209 爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学) 北京市海淀区100081

压接型绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为现有柔性直流输电设备的核心部件,在实际应用中,由于承受高电压、大电流的工作环境,容易发生短路过流失效,进而造成的结构爆炸现象。为研究这一爆炸现象的破坏效... 详细信息

压接型绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为现有柔性直流输电设备的核心部件,在实际应用中,由于承受高电压、大电流的工作环境,容易发生短路过流失效,进而造成的结构爆炸现象。为研究这一爆炸现象的破坏效应及其防护,该文结合多组模拟模块化多电平工况实验,得到IGBT器件短路过流失效爆炸后外壳结构的变形特征。结合电气能量特性的分析和实际爆炸失效形貌特点,建立该IGBT器件结构的数值仿真模型,初步确定实际爆炸过程中的等效TNT爆炸当量。在此基础上,从提高结构自身抗爆能力、增加能量外泄通道、替换结构材料等角度开展IGBT器件的结构优化设计,并进行相关试验验证。结果表明,将管壳的陶瓷材料替换为纤维增强复合材料可有效提高结构的防爆性能,降低器件的破坏程度。

关键词：压接型绝缘栅双极性晶体管器件短路失效爆炸特性防爆仿真

电极结构与空间布置对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流的影响(一):计算研究

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中国电机工程学报 2020年第10期40卷 2318-2329页

该文从理论分析与建模计算2个方面研究电极结构与空间布置对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流的影响。首先,从理论上分析电极结构对IGBT芯片和FRD芯片的并联均流特性的影响机理,并比较主动和被动均流模式下影响机理的差异。进而详细对... 详细信息

该文从理论分析与建模计算2个方面研究电极结构与空间布置对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流的影响。首先,从理论上分析电极结构对IGBT芯片和FRD芯片的并联均流特性的影响机理,并比较主动和被动均流模式下影响机理的差异。进而详细对比分析了时域等效电路方法与频域有限元方法的特点与优势。最后,在被动注入模式下计算4种典型结构下器件内部的动态均流特性。计算结果表明:发射极电极圆周化布置,在对称的外部电磁条件下可以明显优化器件内部的并联均流特性。但是当器件连接外部不对称汇流母排后,该布置方案收效甚微,甚至有加剧不均流的风险;发射极电极刻槽,在对称或者不对称的外部电磁条件下,都能对器件内部的动态均流特性加以改善。

关键词：压接型IGBT 并联均流汇流母排涡流场计算

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压接型IGBT芯片的参数分散性对其并联时关断均流的影响

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中国电机工程学报 2024年第5期44卷 1913-1923,I0021页

作者：曹子楷崔翔代安琪李学宝范迦羽詹雍凡唐新灵新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 先进输电技术国家重点实验室(北京智慧能源研究院) 北京市昌平区102209

压接型绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的多芯片并联关断期间会出现严重的不均流现象,直接影响到器件的关断可靠性。文中重点研究压接型IGBT芯片参数对其并联时关断均流的影响,首先,根据IGBT单芯片的关断机... 详细信息

压接型绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的多芯片并联关断期间会出现严重的不均流现象,直接影响到器件的关断可靠性。文中重点研究压接型IGBT芯片参数对其并联时关断均流的影响,首先,根据IGBT单芯片的关断机理和波形,分析芯片参数对IGBT单芯片关断各个阶段内集电极电流变化的影响规律;其次,定义多芯片并联关断波形中出现的第一类及第二类电流竞争峰谷,建立针对第一类电流竞争峰谷的随机分布模型,获得芯片参数以及并联数目对关断均流的影响规律,通过并联双芯片的双脉冲实验,验证所得规律的有效性;最后,结合分析结果提出阈值电压与饱和压降的相互补偿以及保持阈值电压差与跨导差异号等芯片筛选建议。研究成果可以为并联压接型IGBT芯片的参数筛选工作提供指导。

关键词：压接型绝缘栅双极晶体管关断均流芯片参数筛选建议

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封装寄生参数对并联IGBT芯片瞬态电流分布的影响规律

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中国电力 2019年第8期52卷 16-25页

作者：石浩吴鹏飞唐新灵董建军韩荣刚张朋全球能源互联网研究院有限公司北京102209 国网山西省电力公司晋城供电公司山西晋城033000

大功率IGBT器件通过并联多个IGBT芯片来获得大电流等级,并联芯片动静态电流分布的一致性对于提高器件电流等级以及可靠性至关重要。首先介绍了大功率IGBT模块内部布局不一致导致的封装寄生参数差异性。其次,结合IGBT等效电路模型及其开... 详细信息

大功率IGBT器件通过并联多个IGBT芯片来获得大电流等级,并联芯片动静态电流分布的一致性对于提高器件电流等级以及可靠性至关重要。首先介绍了大功率IGBT模块内部布局不一致导致的封装寄生参数差异性。其次,结合IGBT等效电路模型及其开关特性,分析了寄生参数差异性对于并联IGBT芯片瞬态电流分布特性的影响规律。最后,建立了并联IGBT芯片的等效电路模型,并应用SynopsysSaber软件建立了仿真电路,从封装寄生电感参数差异性、封装寄生电阻参数差异性,分析了参数差异对并联芯片的瞬态电流分布特性的影响。

关键词： IGBT 并联芯片寄生电感寄生电阻瞬态电流分布

压接型IGBT子模组在关断过程中的电场瞬态特性分析与调控

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中国电机工程学报 2022年第6期42卷 2298-2307页

作者：文腾崔翔李学宝刘思佳赵志斌张西子林仲康唐新灵新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 先进输电技术国家重点实验室(全球能源互联网研究院有限公司) 北京市昌平区102209

封装绝缘问题是压接型IGBT器件研制过程中面临的关键挑战之一,解决绝缘问题的关键是准确分析器件内部复合绝缘结构在运行工况下的电场分布特性。现有研究多在静电场或恒定电场下分析其静态电场特性,忽略了其在实际工况下的电场瞬态特性... 详细信息

封装绝缘问题是压接型IGBT器件研制过程中面临的关键挑战之一,解决绝缘问题的关键是准确分析器件内部复合绝缘结构在运行工况下的电场分布特性。现有研究多在静电场或恒定电场下分析其静态电场特性,忽略了其在实际工况下的电场瞬态特性。针对刚性压接型IGBT器件,考虑到直流断路器用压接型IGBT面临的单次关断的实际工况,在电准静态场条件下,该文采用瞬态边界电场约束方程,准确计算压接型IGBT子模组复合绝缘结构中的瞬态电场,获得器件内部不同介质交界面上的界面电荷密度,详细分析瞬态电场的时空分布特性。在此基础上,该文从子模组的绝缘结构和封装绝缘材料参数两方面对子模组的瞬态电场进行调控,结果表明,该文所提控制方法能显著降低绝缘薄弱环节处的电场强度。

关键词：压接型IGBT 复合绝缘结构瞬态电场电准静态场直流断路器工况瞬态边界电场约束方程

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回路电阻对测试平台杂散电感计算的影响研究

电力电子技术 2019年第5期53卷 137-140页

作者：吴鹏飞唐新灵张语张朋全球能源互联网研究院有限公司功率半导体研究所

利用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开通瞬态波形或者关断瞬态波形来计算测试平台回路杂散电感是一种简单便捷的计算方法。此处认为IGBT动态测试平台回路电阻对杂散电感的计算结果有很大影响。根据IGBT开关瞬态过程中测试平台的等效电路,用Sy... 详细信息

利用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开通瞬态波形或者关断瞬态波形来计算测试平台回路杂散电感是一种简单便捷的计算方法。此处认为IGBT动态测试平台回路电阻对杂散电感的计算结果有很大影响。根据IGBT开关瞬态过程中测试平台的等效电路,用Synopsys Saber软件建立了仿真电路,此处分析了回路电阻对计算结果的影响规律。以实际测试平台为分析对象,根据实测波形分析了回路电阻在杂散电感计算过程中的影响特点,试验结果与仿真结果相互吻合,验证了此处分析的正确性。

关键词：绝缘栅双极型晶体管动态测试平台杂散电感