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大功率igbt的主动栅极驱动及并联均流技术研究

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大功率IGBT的主动栅极驱动及并联均流技术研究

作者：谢海超华南理工大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术在新能源汽车、新能源发电等领域的迅速发展,功率半导体器件获得了越来越广泛的应用。这对igbt的性能也提出了更高的要求,包括更高的电流和电压需求、更高的功率密度、更快的开关速度以及更高的效率。为了满足这些要求... 详细信息

随着电力电子技术在新能源汽车、新能源发电等领域的迅速发展,功率半导体器件获得了越来越广泛的应用。这对igbt的性能也提出了更高的要求,包括更高的电流和电压需求、更高的功率密度、更快的开关速度以及更高的效率。为了满足这些要求,需要对igbt的栅极驱动以及并联均流技术进行优化。对此,本文提出了大功率igbt的主动栅极驱动和并联均流技术。研究的主要内容包括:首先详细分析了大功率igbt在实际工作中的具体开关过程,包括igbt的栅极电压,栅极电流、集射极电压和集电极电流在开通和关断过程中的变化曲线,以及它们之间的相互关系。根据各参数的变化曲线建立了igbt的开通及损耗模型,用于计算igbt在开关过程中产生的损耗。分析了igbt在开关过程中发生的米勒平台振荡问题,并给出了抑制措施。栅极驱动对igbt的开关性能有着至关重要的影响,传统的驱动(CGD)对igbt开关过程中的电压和电流过冲调节效果有限,主要是其在降低过冲的同时总是以牺牲开关时间和开关损耗为代价。本文提出了一种新的主动栅极驱动(AGD)控制方法,用于抑制igbt开关过程中产生的电流、电压过冲,其原理是在igbt的高di/dt和dv/dt阶段主动调节驱动电压,减小电流和电压的变化率,从而抑制电流和电压过冲。实验结果表明,相比传统驱动方法,本方法可以在基本不降低开关速度和不增加开关损耗的同时,显著降低igbt开关过程中的电流和电压过冲。在大功率应用场景下需要用到多个igbt并联以满足工作需要,但在igbt并联系统中会出现电流不均衡的现象。详细分析了器件分散性、功率回路参数、驱动回路参数、温度等关键因素对igbt动静态电流的影响。针对并联igbt的动静态电流不均衡提出了相应的均流方法,可以有效抑制并联igbt的动静态不均衡电流。

关键词： igbt 主动栅极控制开关特性电压/电流过冲并联均流

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小功率igbt的失效建模及失效预测

小功率IGBT的失效建模及失效预测

作者：刘秋丽北京交通大学

学位级别：硕士

绝缘栅双极型晶体管(Insulation Gate Bipolar Transistor,igbt),因具有低导通压降、输入阻抗高、开关速度较迅速以及驱动功率小等优点而被广泛应用在多个领域。其中,小功率igbt主要被应用在电动汽车、洗衣机、空调、电机变频调速等领域... 详细信息

绝缘栅双极型晶体管(Insulation Gate Bipolar Transistor,igbt),因具有低导通压降、输入阻抗高、开关速度较迅速以及驱动功率小等优点而被广泛应用在多个领域。其中,小功率igbt主要被应用在电动汽车、洗衣机、空调、电机变频调速等领域。igbt由于其是多层结构且各层之间具有不同的热膨胀系数,工作在复杂环境下,受热应力反复作用,会引起器件内部物理结构损伤,并导致其电热特性发生变化,甚至造成永久性的失效。随着igbt应用领域的不断扩大,其可靠性问题越来越受重视,因此,有关igbt的失效机理、失效预测的研究,在提高igbt可靠性方面有重要意义。基于此,本文针对型号为IRG4BC30KD的小功率igbt开展了以下工作:首先,对国内外研究学者关于失效机理及失效预测的研究做了概述,总结出焊料层失效更值得被重视,并且不断变化的温度是影响igbt失效的主要因素;之后介绍了igbt的工作原理以及基本结构,详细阐述了igbt的常见失效模式及其原因;随后在COMSOL软件上对igbt模块进行了多物理场耦合分析,分析了正常工作状态下温度对igbt内部物理结构的影响,以及当焊料层发生失效时反过来对igbt温度的影响;针对焊料层,提出使用纳米银焊膏替代Pb Sn Ag材料,以提高器件的可靠性。其次,焊料层失效会引起igbt外部电参数的变化,根据失效特征参数变化趋势可以对igbt进行失效预测。通过对实验数据的分析,选取了合适的失效特征参数,由于样本数据过少,容易导致深度神经网络过拟合,所以选用数据增强的方法对样本的训练集进行扩充,针对生成式对抗网络具有训练困难、梯度不稳定等缺点,使用基于梯度惩罚的Wasserstein生成对抗网络(WGAN-GP)对样本进行扩充,以满足后续深度神经网络模型对样本量的需求,并对生成数据进行了分析。最后,使用混合卷积长短时记忆神经网络模型(CNN-LSTM)对原始老化数据进行失效预测,并与不同的网络模型进行了对比,验证了CNN-LSTM网络模型的优越性;之后利用扩充后的数据对CNN-LSTM模型、LSTM模型进行训练,其中CNN-LSTM模型预测精度最高,预测精度提高了2.64%,同时证明了生成数据的有效性;在此基础上,针对神经网络存在超参数确定困难的问题,提出使用海洋捕食者算法(MPA)对不同模型的超参数进行自动寻优,相比之下,MPACNN-LSTM模型具有较高精度,预测精度进一步提高了24.8%。

关键词： COMSOL仿真海洋捕食者算法 igbt 失效预测

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失超保护系统中固态开关的均流控制

电子测量技术 2022年第11期45卷 16-21页

作者：张潇鹏王英翘彭建飞李维斌核工业西南物理研究院成都610041

失超保护系统在超导托卡马克的运行中发挥着重要作用,其在失超发生时快速转移储存在线圈中的磁场能量,从而保护超导磁体。由于失超保护系统功率较大,在应用时必须并联多个固态开关模块,因此带来的均流问题也有待进一步的解决。本文在选... 详细信息

失超保护系统在超导托卡马克的运行中发挥着重要作用,其在失超发生时快速转移储存在线圈中的磁场能量,从而保护超导磁体。由于失超保护系统功率较大,在应用时必须并联多个固态开关模块,因此带来的均流问题也有待进一步的解决。本文在选定igbt作为失超保护系统中的固态开关后,分析了影响其均流的因素,采用调节栅极电阻的方式进行igbt关断时的动态均流,并对栅极电压进行PI控制以实现igbt导通时的静态均流,仿真和实验结果均证明了220 A电流下该控制方案的有效性。相比于传统支路串入阻抗的均流手段,该方案无须改变主回路,控制方式简单,灵活性更好,同时能有效抵御干扰的影响,进一步推动了固态开关在失超保护系统中的实际应用。

关键词：失超保护 igbt 均流 PI控制

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储能变流器igbt衰退特性研究

储能变流器IGBT衰退特性研究

作者：陈澄北京交通大学

学位级别：硕士

随着分布式能源并网增多、柔性输配电装备应用推广,储能变流系统在改善电力系统电能质量中的作用越来越明显,其应用也越来越广泛。储能变流系统由储能介质和双向变流器构成,igbt是储能双向变流器的核心器件。功率半导体igbt器件正确可... 详细信息

随着分布式能源并网增多、柔性输配电装备应用推广,储能变流系统在改善电力系统电能质量中的作用越来越明显,其应用也越来越广泛。储能变流系统由储能介质和双向变流器构成,igbt是储能双向变流器的核心器件。功率半导体igbt器件正确可靠开关工作,保证了储能系统安全稳定运行。在变流器运行过程中,igbt会承受一些极端工况,如载荷突变、过流短路、过压、温度瞬变等,这对功率半导体器件igbt的电气特性会造成一定影响,产生一些特性损伤。igbt器件的损伤会随着运行时间累计,导致设计使用寿命降低,对储能变流系统安全造成影响。研究储能变流器igbt的衰退特性,掌握器件在不同生命阶段的运行特性,能够优化系统运行设计,对提升系统运行可靠性和降低运行维护成本提供相应的理论和技术支持。论文首先介绍了储能系统的基本特性,从系统的应用场景出发分析了储能变流器的控制策略和工作原理。在变流器特性分析的基础上,研究了不同条件下igbt的工作特性,总结了不同运行环境对器件工作特性的影响。分析了具体工况下储能变流器igbt电热参数的特性,研究了igbt电热参数的提取方法。在MATLAB/Simulink中建立了储能系统工作模型,进行相关工况仿真,分析提取了igbt电气参数。利用PLECS仿真套件建立了igbt电热耦合模型,并提取了相关热参数。论文还研究了一种基于半实物平台的参数提取方法,与MATLAB/Simulink和PLECS联合仿真提取方法进行了对比分析,总结了两种参数提取方法的优缺点,并进行了可行性验证。研究了igbt的退化机理,数学推导了igbt电气特征参数退化趋势,通过建立igbt功率损耗模型理论分析igbt电热参数退化关联特性,分析了igbt电热特性模型的退化原理。建立了igbt模块等效电气模型,研究开通损耗E,关断损耗E,导通损耗E受器件退化影响的变化规律,构建全生命周期不同健康状态下igbt损耗模型。通过剪断键合线模拟igbt的退化过程,实验验证了理论推导与仿真分析的结果。结合igbt电热参数提取结果以及电热特性退化研究,论文最后给出了考虑参数退化的igbt寿命预测流程。基于传统的线性损伤理论提出了一种分段线性模型,通过分段线性模型计算igbt的使用寿命,对比分析了考虑参数退化前后igbt的寿命计算结果。

关键词：器件衰退储能变流器 igbt 寿命预测

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新型3300V平面栅igbt的设计与优化

新型3300V平面栅IGBT的设计与优化

作者：肖翔电子科技大学

学位级别：硕士

高压绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,igbt)凭借耐压高、开关快、电流大的优点广泛应用于轨道交通、智能电网、大型舰船等中高压领域,是目前业界研究的热点。平面栅igbt具有饱和电流低、短路能力强、栅极电容小... 详细信息

高压绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,igbt)凭借耐压高、开关快、电流大的优点广泛应用于轨道交通、智能电网、大型舰船等中高压领域,是目前业界研究的热点。平面栅igbt具有饱和电流低、短路能力强、栅极电容小的优点,是高压igbt的主流结构之一。igbt芯片包含元胞区和终端区,元胞区决定着芯片的电流能力,终端区是为了改善击穿特性而设置的特殊结构。为了进一步降低高压平面栅igbt的导通压降,提高芯片功率密度,本文分别从元胞结构及终端结构两个方面开展对新型3300V平面栅igbt的研究,主要工作如下:1.元胞方面,提出一种具有双重载流子注入增强效应的新型三维平面栅igbt器件(DIE-Pigbt)。该结构在具有屏蔽沟槽的传统平面栅igbt结构(Con-igbt)的基础上引入P型浮空区,改善了N型载流子存储层浓度与击穿电压(BV)的制约关系,具备更低的导通压降(V)和饱和电流(I)。同时该结构具备可自动调整的空穴通路,可以获得更低的关断损耗(E)。仿真结果表明,DIE-Pigbt的V相比Con-Pigbt降低了31.0%,和Con-Pigbt具有相同BV的DIE-Pigbt.Pro的V相比Con-Pigbt降低了33.8%,相比DIE-Pigbt降低了4.4%。在相同的V=2.51V的条件下,DIE-Pigbt的E相比Con-Pigbt降低了44%,DIE-Pigbt.Pro的E相比Con-Pigbt降低了49.1%,相比DIE-Pigbt降低了9.2%。在栅极电压V=15V的条件下,DIE-Pigbt的I相比Con-Pigbt降低了40.5%,短路耐受时间是Con-Pigbt的1.9倍。2.终端方面,提出一种单次注入的多区结终端扩展(Junction Terminal Extension,JTE)结构,开展了对JTE离子注入掩模版模型的研究,并对影响JTE终端击穿电压的因素如注入剂量、能量、推结时间、界面电荷、温度以及掩模版变化进行了探究。本文提出的多区JTE终端结构具有更小的面积,改善了击穿电压对注入剂量的敏感程度,提高了工艺容差。仿真结果表明,当注入剂量在3×10cm至7×10cm范围内,终端的击穿电压均超过了4000V,达到耐压要求。与传统单区JTE终端结构相比,多区JTE终端具有更宽的工艺窗口,且在相同阻断能力下芯片的功率密度更高。在上述仿真的基础上,本文开展了拐角为大倒角的终端版图设计,并投入流片实验。

关键词： igbt 多区JTE 击穿电压导通压降与关断损耗折中关系

基于EMI信号的igbt模块老化状态监测方法

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基于EMI信号的IGBT模块老化状态监测方法

作者：任志辉天津理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着电力电子技术的高速发展,电力电子装置凭借其优良的性能被广泛应用于新能源汽车、高压直流输电、航空航天、轨道交通等多种领域。功率器件作为电力电子装置的核心,是实现电力电子装置电能转换的关键。由于电力电子装置的工... 详细信息

近年来,随着电力电子技术的高速发展,电力电子装置凭借其优良的性能被广泛应用于新能源汽车、高压直流输电、航空航天、轨道交通等多种领域。功率器件作为电力电子装置的核心,是实现电力电子装置电能转换的关键。由于电力电子装置的工作环境较为严苛,功率器件的高可靠性对系统安全稳定运行至关重要。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,igbt)凭借其开关速度快、功率密度高、开关损耗小等优良的性能成为目前应用最为广泛的功率器件。电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)在高速开关的功率器件中不可避免,由于其在功率器件自身工作过程产生,会耦合功率器件内部老化信息,同温敏电参数等信号一样可以用作功率器件的老化监测。本文以igbt模块组成的Buck变换器为研究对象,通过研究igbt模块健康状态与EMI信号的关系,建立起igbt模块焊料层空洞和键合线故障与共模传导干扰与辐射干扰的联系,实现了通过EMI信号对igbt模块封装老化的完整监测。具体研究内容如下:1.介绍了igbt模块的封装结构与老化形式、Buck电路中EMI噪声产生的基本原理;分析了封装老化成因以及封装老化对EMI噪声的影响机理;探究了Buck电路中共模干扰电流与差模干扰电流的传输路径,表明共模干扰电流的幅值与焊料层空洞程度有密切关系,以及键合线断裂根数对差模干扰电流幅值具有重要影响;阐述了键合线断裂后差模干扰电流的改变如何影响外部辐射干扰信号幅值。2.提出了基于共模传导干扰信号频谱幅值的igbt模块焊料层空洞老化在线监测方法。首先,分析了焊料层空洞后对模块寄生电容的影响,表明模块寄生电容改变会影响共模干扰电流的幅值。其次,探究了温度变化对共模干扰的影响,表明了在低频段内共模干扰幅值不受温度影响。最后,通过低频段内共模干扰电流幅值实现对igbt模块焊料层空洞程度的监测。3.提出了基于辐射干扰信号的igbt模块键合线老化程度在线监测方法。首先,分析了igbt模块键合线断裂后对寄生电感的影响,得到了寄生电感随键合线断裂根数增加而增大的结论。其次,研究了模块寄生电感对差模干扰电流的影响,并将igbt模块等效成磁偶极子向外辐射EMI。最后,利用近场探头捕获模块的辐射干扰信号幅值来监测键合线脱落根数。

关键词： igbt 键合线焊料层老化监测电磁干扰

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1200V igbt辐射效应研究

1200V IGBT辐射效应研究

作者：万贻虎电子科技大学

学位级别：硕士

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,igbt)结合了功率MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)以及双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)结构,兼具电压型控制以及低导通电阻的特点。随着原子能技术的进步,igbt也可能应用于核反应堆等辐射环境下。棒控系统作为核反应堆控制棒驱动机构的电源控制装置,其重要性不言而喻。近年来,由于igbt器件具有电压型控制、工作频率高等特点,国内外厂商开始将igbt用于棒控系统中。核裂变反应会放出中子以及γ射线,这使得核反应堆周围的电子设备会同时遭受到中子辐射与总剂量辐射的综合辐射影响。然而,目前有关igbt在总剂量以及中子共存时的辐射作用机理尚不十分清晰。基于此,本文开展了igbt器件的综合辐射效应研究,通过仿真阐述了igbt器件的综合辐射作用机理。本文的主要内容如下:(1)进行了单总剂量辐射实验测试,分析了单总剂量辐射对igbt器件静态特性的影响,并通过仿真揭示了总剂量辐射作用机理。由于总剂量辐射在氧化层中引入固定正电荷、在Si/Si O界面处引入界面态,使得igbt器件的阈值电压下降、结终端耐压下降,元胞阻断态漏电流有所提升。研究了单中子辐射对igbt器件电学特性的影响,包括转移特性、阻断特性、导通特性以及开关特性等。单中子辐射减小了器件的少子寿命,使得器件耐压有所提升、增大了器件的导通压降以及阻断态漏电流、提高了器件关断速度。(2)通过仿真分析了综合辐射对igbt器件的转移特性、阻断特性、导通特性以及开关特性的影响,重点关注了综合辐射下igbt器件电学特性的变化与两种辐射单独作用时的区别。综合辐射下中子辐射使得PNP管的电流增益减小,从而减小了总剂量辐射引入的界面态对于总漏电流的贡献;综合辐射下,总剂量辐射使得耗尽区收缩,中性基区宽度增加,从而减小了PNP管的电流增益,使得结终端区的耐压对中子辐射不敏感。

关键词： igbt 中子辐射总剂量辐射综合辐射

高功率密度智能化集成功率器件及其并联应用研究

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机车电传动 2023年第4期 145-151页

作者：金肩舸杨进锋王晓元刘杰宋郭蒙马龙昌中车株洲电力机车研究所有限公司湖南株洲412001

为突破传统功率半导体器件的封装和应用结构限制,实现变流装备的升级换代,文章提出了一种新型的高功率密度智能化集成功率器件。为验证该技术路线的可行性,以大功率变流领域内常见的并联应用场景作为研究对象,从器件参数、主电路、散热... 详细信息

为突破传统功率半导体器件的封装和应用结构限制,实现变流装备的升级换代,文章提出了一种新型的高功率密度智能化集成功率器件。为验证该技术路线的可行性,以大功率变流领域内常见的并联应用场景作为研究对象,从器件参数、主电路、散热结构、驱动控制等4个主要影响因素着手,分析并验证了其良好的器件匹配性、电感均衡度、散热均温性、控制信号同步性、抗干扰能力,最后通过双脉冲试验和功率考核试验,证明了其良好的并联均流效果。试验结果表明,该技术平台从理论设计到实物验证的目标可以得到实现,具备了工程应用基础。

关键词：大功率高压集成化智能化 igbt IPM 并联均流

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变流器中igbt功率模块寿命预测研究

变流器中IGBT功率模块寿命预测研究

作者：李一帅华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

igbt（绝缘栅双极型晶体管）功率模块作为新型功率半导体器件,已广泛应用于人类社会的方方面面。然而,在电力电子系统中,igbt功率模块是最容易失效的部件,对igbt功率模块进行精准的寿命预测是保障电力电子系统稳定运行的关键。功率模块... 详细信息

igbt（绝缘栅双极型晶体管）功率模块作为新型功率半导体器件,已广泛应用于人类社会的方方面面。然而,在电力电子系统中,igbt功率模块是最容易失效的部件,对igbt功率模块进行精准的寿命预测是保障电力电子系统稳定运行的关键。功率模块的失效成因中,60%的失效是由于模块的结温波动引起的,键合线脱落、焊料层开裂是igbt功率模块失效的主要表现形式。所以了解功率模块运行时的结温变化至关重要。然而,鉴于igbt功率模块的封装工艺,很难通过直接测量的方法获得其结温变化。本文从光伏系统的实际应用出发,借助Plecs工具搭建单相并网逆变器的电热仿真模型,通过设置不同的并网电流,对igbt功率模块损耗和结温进行了计算分析。根据结温仿真结果,通过解析寿命预测模型和功率循环曲线对igbt功率模块进行了寿命评估。本文主要的研究内容如下:（1）现有的igbt寿命预测模型都离不开igbt功率模块的结温数据,针对igbt功率模块结温难以获取的问题,提出采用电热模型仿真的手段来准确探测结温。本文基于单相并网逆变器来进行研究,通过Plecs工具箱搭建并网逆变器的电气模型和热模型,其中电气模型包括并网逆变器及其控制电路,热模型包括损耗模型和Foster热网模型。与传统搭建实验平台的方法相比,通过电热模型探测结温的方法具有高效、可操作性强、成本低廉等优点。（2）在功率循环加速实验中,指定的直流电被周期性地加在igbt功率模块上,这种方法简单高效。然而实验过程中,功率模块只会产生导通损耗,这与快速开关的模块特性不一致。本文仿真实验中,不仅充分考虑了两种损耗的影响,而且将变化的电流加在了 igbt功率模块上,所得仿真结果能准确反应出实际工作环境下igbt模块的运行状态。（3）Bayerer寿命预测模型与其他解析寿命预测模型相比,考虑的物理量更加全面,预测精度也更高。鉴于igbt的退化过程受结温波动的影响要大于结温极值Tjmax的影响。本文在Bayerer寿命预测模型的基础上,添加了最大结温值Tjmax的削弱参数,进一步提高了模型的预测精度。

关键词： igbt 并网逆变器电热仿真结温探测寿命预测