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中国电机工程学报 2024年

作者：丁毅王亚林陈萌尹毅上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系

高dV/dt方波下封装绝缘发生的局部放电是高压功率模块失效的重要原因之一，然而方波上升下降沿产生的电磁干扰和位移电流严重干扰局放的检测，且现行功率模块局放检测标准规定的正弦电压与方波下测试结果存在差异。为解决上述问题，本... 详细信息

高dV/dt方波下封装绝缘发生的局部放电是高压功率模块失效的重要原因之一，然而方波上升下降沿产生的电磁干扰和位移电流严重干扰局放的检测，且现行功率模块局放检测标准规定的正弦电压与方波下测试结果存在差异。为解决上述问题，本文提出基于下混频原理的高dV/dt方波电压下局放检测方法，探究了不同频率单极性高dV/dt方波和工频正弦电压下封装绝缘的局放特性，并对封装绝缘固—固结构建模，考虑复合绝缘的电荷弛豫，进行了动态电场分布仿真计算。结果表明，由于界面电荷弛豫造成的局部电场差异，单极性方波下，封装绝缘的局放起始电压（partial discharge inception voltage， PDIV）高于正弦电压下，且方波下PDIV随频率升高略有增加。外施电压幅值相同时，方波下局放平均幅值高于正弦电压下。随频率升高，单极性方波上升沿处局放幅值分布相近，而下降沿处局放平均幅值降低，相位呈现滞后趋势。该研究分析了高dV/dt方波下封装绝缘的局放特点及其与正弦电压下的差异，为功率模块可靠性检测和评估提供了参考。

关键词：高dV/dt方波功率模块封装绝缘局部放电电场动态仿真

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18kV/125A碳化硅IGBT器件研制及串联应用关键技术研究

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中国电机工程学报 2023年第17期43卷 6765-6775页

作者：邱宇峰唐新灵魏晓光杨霏潘艳吴军民李学宝赵志斌顾然梁琳杨晓磊周平先进输电技术国家重点实验室(智能电网研究院有限公司) 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 中电普瑞电力工程有限公司北京市昌平区102209 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 湖北省武汉市430074 宽禁带半导体电力电子国家重点实验室(南京电子器件研究所) 江苏省南京市210016

高压碳化硅(silicon carbide,SiC)器件因具有耐高压、耐高温、低损耗等优异特性,已成为支撑未来新型电力系统建设的新型电力电子器件。文中基于自主研制的18kV/12.5A高压SiC绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT... 详细信息

高压碳化硅(silicon carbide,SiC)器件因具有耐高压、耐高温、低损耗等优异特性,已成为支撑未来新型电力系统建设的新型电力电子器件。文中基于自主研制的18kV/12.5A高压SiC绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)芯片,提出18kV SiC IGBT单芯片子模组及10芯片并联封装设计方案,研制18kV/125A SiC IGBT器件,功率等级达到国际最高水平。搭建高压碳化硅功率器件绝缘、静态特性和动态特性测试平台,测试单芯片子模组及10芯片并联器件的绝缘及动态特性,18kV/125A SiC IGBT器件具备18kV静态耐压且可以在13kV直流母线电压条件下关断130A电流,验证了所研制器件的高压绝缘及高压开关能力。此外,采用18kV/125A SiC IGBT器件串联搭建24kV换流阀半桥功率模块,提出器件串联均压方法,完成半桥功率模块的1min静态耐压试验和开关试验验证,结果表明,所研制的18kV/125A SiC IGBT器件运行良好,满足串联应用要求,同时,所提的均压方案可以保证半桥功率模块静态电压不均衡和动态电压不均衡程度分别低于0.4%和15%。该研究可以为基于SiC IGBT器件在柔性直流输电工程中的应用奠定基础。

关键词：碳化硅绝缘栅双极型晶体管器件封装绝缘动态特性串联均压

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电力电子模块封装硅胶电荷输运与陷阱特性研究

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绝缘材料 2022年第8期55卷 64-71页

作者：赵军何瑞东高树国相晨萌王亚林尹毅国网河北省电力有限公司电力科学研究院河北石家庄050021 国网河北省电力有限公司河北石家庄050022 上海交通大学电气工程系上海200240

高压功率模块封装绝缘承受单极性的电应力,而高压功率模块封装绝缘中的空间电荷问题却没有得到足够的研究。本文研究了封装硅胶材料在不同温度下的空间电荷输运行为和陷阱能态分布特性。基于研发的空间电荷与陷阱能态联合测量系统,在3~1... 详细信息

高压功率模块封装绝缘承受单极性的电应力,而高压功率模块封装绝缘中的空间电荷问题却没有得到足够的研究。本文研究了封装硅胶材料在不同温度下的空间电荷输运行为和陷阱能态分布特性。基于研发的空间电荷与陷阱能态联合测量系统,在3~15 kV/mm的外施电场和40、60、80℃温度下对封装硅胶进行空间电荷和等温松弛电流联合测量。结果表明:空间电荷积累情况随着温度的升高和外加电场的增大而恶化。电极附近积累了同极性的电荷,畸变了局部电场分布。此外,本文提出了一种基于非负最小二乘迭代算法的改进型等温松弛电流分析方法,分析了不同温度下封装硅胶的去极化松弛电流,获得0.8~1.2 eV的陷阱能级分布,有助于理解空间电荷输运行为背后的机理。空间电荷的积累导致局部场畸变,畸变的电场会导致局部放电和封装绝缘失效。因此,高压功率模块的封装设计时应该考虑空间电荷问题。

关键词：空间电荷封装绝缘硅胶陷阱等温松弛电流

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正极性方波电压下高压IGBT器件典型结构与缺陷的局放测量与辨识

正极性方波电压下高压IGBT器件典型结构与缺陷的局放测量与辨识

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作者：刘相辰华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

高压大功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)作为柔性直流输电与轨道交通等领域的核心器件,其封装绝缘内部的电场强度较大,易发生局部放电。在运行工况下,器件绝缘承受正极性重复方波电压,在这种电压下实现局... 详细信息

高压大功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)作为柔性直流输电与轨道交通等领域的核心器件,其封装绝缘内部的电场强度较大,易发生局部放电。在运行工况下,器件绝缘承受正极性重复方波电压,在这种电压下实现局部放电的准确测量,以及器件内部典型结构与缺陷的局部放电辨识,对高压器件的设计与制造具有重要意义。本文针对高压器件中的三种典型结构与硅凝胶中的气泡缺陷,开展了正极性方波电压下的局部放电特性与辨识方法研究,主要的研究内容包括:首先,研究了正极性重复方波电压下,测量局部放电时所受的干扰与局部放电脉冲的频谱分布,提出了不依赖辅助设备的位移电流干扰下局放脉冲的无失真提取方法,并验证了局放电流脉冲提取方法的适用范围,研制了适用于器件绝缘的方波电压下的实验平台与放电数据分析系统。其次,选取了高压IGBT器件存在的三个典型绝缘结构作为实验样本,包括芯片、硅凝胶和DBC(Direct Bonding Copper,覆铜陶瓷板)-硅凝胶界面,获得了三个典型结构的局部放电特性差异,提出了高压IGBT器件封装中典型绝缘结构的局部放电辨识方法,并验证了所提辨识方法的有效性。分析了三种典型放电结构在正极性方波电压下的放电过程,并给出了不同结构间出现放电特性差异的定性解释。最后,为了探究气泡缺陷对硅凝胶放电特性的影响,制备了含有气泡的硅凝胶实验样品,提出了有机硅凝胶内部气泡含量的量化方法,实验获得了有机硅凝胶内气泡含量对局部放电分布特性以及电流脉冲波形参数的影响规律,结合放电脉冲波形分析方法,给出了气泡对有机硅凝胶局部放电特性影响机理的定性解释。提出了提升硅凝胶脱气效果的逐层封装方法,并通过实验验证了该方法的优化脱气效果。

关键词：高压IGBT器件封装绝缘局部放电正极性重复方波电压典型结构与缺陷放电辨识

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