摘要：為保證高壓絕緣柵雙極型晶體管(nsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件換流運(yùn)行時(shí)的熱穩(wěn)定性，需要根據(jù)IGBT芯片的電熱特性和器件的散熱設(shè)計(jì)，確定芯片運(yùn)行的熱穩(wěn)定工作區(qū)，從而指導(dǎo)器件的運(yùn)行條件控制。雖然針對(duì)芯片動(dòng)靜態(tài)損耗的熱穩(wěn)定性分析已經(jīng)發(fā)展了許多年，但目前針對(duì)高壓芯片的相關(guān)研究還較少。首先，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了3.3kV非穿通(NonPunchThrough,NPT)型和場(chǎng)截止(FieldStop,FS)型IGBT芯片的動(dòng)靜態(tài)特性，獲得并分析了溫度、電流及電壓對(duì)動(dòng)靜態(tài)損耗特性的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，給出了IGBT芯片的損耗擬合公式，通過(guò)對(duì)器件內(nèi)部的熱反饋過(guò)程進(jìn)行分析，提出了具有解析形式且包含占空比、換流頻率及電壓電流等器件運(yùn)行工況的IGBT芯片的熱穩(wěn)定性判據(jù)。根據(jù)本文所提的判據(jù)，分析了高壓NPT型和FS型IGBT芯片的換流運(yùn)行的熱穩(wěn)定性，可方便確定IGBT芯片在不同的換流條件下的最大工作頻率和最大工作電流，簡(jiǎn)化了高壓IGBT芯片的熱穩(wěn)定性分析，并可為高壓器件的選型和損耗評(píng)估提供依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：高壓IGBT芯片;熱穩(wěn)定性;換流運(yùn)行

　　引言

　　絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件因其低損耗和全控特性，已經(jīng)在柔性電力電子裝備中得到了廣泛應(yīng)用[1][2]。幾十年來(lái)，IGBT已經(jīng)發(fā)展出了穿通型(PunchThrough，PT)，非穿通型(NonPunchThrough，NPT)和場(chǎng)截止型(FieldStop，F(xiàn)S)三種不同結(jié)構(gòu)的芯片[3]。不同IGBT器件因其芯片結(jié)構(gòu)、參數(shù)和封裝設(shè)計(jì)的差異具有不同的損耗特性。

　　因此，在實(shí)際應(yīng)用中，選擇滿足工程要求的IGBT器件是非常重要的。在IGBT器件的換流運(yùn)行工況下，為了保證器件換流過(guò)程中的熱穩(wěn)定性，需要根據(jù)IGBT器件內(nèi)并聯(lián)芯片損耗的電熱特性和器件的散熱設(shè)計(jì)，確定芯片穩(wěn)定運(yùn)行的工作區(qū)域[4]。然而，芯片在實(shí)際工況中損耗的電熱特性與電力電子裝備的拓?fù)湓O(shè)計(jì)和組件結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，無(wú)法從數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲得[5]。

　　隨著柔性電力電子裝備功率等級(jí)的提升，裝備和器件的損耗不斷增加，器件及其內(nèi)部規(guī)�；�并聯(lián)芯片的熱不穩(wěn)定性問(wèn)題在高壓大功率應(yīng)用中的影響已經(jīng)不可忽視。但目前針對(duì)高壓芯片的相關(guān)研究還較少，為此，需要開(kāi)展高壓芯片的熱穩(wěn)定性分析，以指導(dǎo)器件的研制、選型及運(yùn)行條件控制。 芯片的熱穩(wěn)定性分析是半導(dǎo)體器件領(lǐng)域基本但又重要的分析方法。1993年，法國(guó)的S.Lefebvre研究了零電流開(kāi)關(guān)(eroCurrentSwitching,ZCS)換流條件下PT型IGBT芯片和NPT型IGBT芯片的動(dòng)態(tài)損耗特性[6][7]。

　　研究表明，NPT型芯片的關(guān)斷損耗雖比PT型芯片更高，但NPT型IGBT芯片在運(yùn)行中有更寬的穩(wěn)定工作區(qū)域。1994年，S.Rael和Ch.Schaeffer提出了一種解析的損耗公式，對(duì)比分析了不同型號(hào)IGBT芯片的熱穩(wěn)定性[8]。文獻(xiàn)[8]中所提的解析損耗公式雖然簡(jiǎn)化了熱穩(wěn)定性的分析，但是公式主要針對(duì)于中低壓器件，且其計(jì)算的損耗結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相比有較大的誤差。之后，盛況等人在2000年研究了不同換流電路拓?fù)鋵?duì)芯片電熱特性和熱穩(wěn)定性的影響[5]。

　　隨著器件性能的不斷發(fā)展，ABB公司的R.Schnell和U.Schlapbach提出，阻斷狀態(tài)下芯片漏電流引起的熱不穩(wěn)定限制了功率芯片的最高工作溫度，這一現(xiàn)象也需關(guān)注[4][9]。2015年，不萊梅大學(xué)的C.Bödeker等研究了1700VSiC二極管在高頻換流情況下的熱穩(wěn)定特性[10]。目前，熱穩(wěn)定性分析領(lǐng)域大多數(shù)工作關(guān)注中低壓芯片，但是芯片在高壓大功率應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性和安全穩(wěn)定工作卻面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　為了滿足高壓直流輸電(HighVoltageDirectCurrent,HVDC)的需要，IGBT芯片的最高電壓等級(jí)已經(jīng)達(dá)到了6.5kV[11][12]。一方面，在柔性電力系統(tǒng)中，高壓IGBT器件的穩(wěn)定安全運(yùn)行至關(guān)重要。熱穩(wěn)定性分析不僅限制了單支IGBT芯片可工作的最高頻率和最大電流，也間接決定了裝備中器件的串并聯(lián)數(shù)量。另一方面，對(duì)于柔性電力電子裝備，因其處于長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)，高壓芯片的損耗也會(huì)大幅增加。因此對(duì)于裝備設(shè)計(jì)者而言，過(guò)多的芯片冗余在經(jīng)濟(jì)性上是不可接受的[13][14]。

　　考慮到芯片的結(jié)溫與損耗在實(shí)際工況中是隨工作頻率變化的，因此，熱穩(wěn)定性分析可以為器件的損耗評(píng)估提供更直接的參考。所以，高壓芯片的熱穩(wěn)定性分析對(duì)HVDC工程非常重要。并且，目前柔性電力電子裝備用高壓大功率IGBT器件主要使用的是NPT型和FS型IGBT芯片，目前文獻(xiàn)對(duì)NPT型IGBT芯片雖開(kāi)展了一些熱穩(wěn)定性研究，但還未見(jiàn)FS型IGBT芯片相關(guān)的研究報(bào)道。因此，從器件選型的角度，也有必要對(duì)FS型IGBT芯片的熱穩(wěn)定特性展開(kāi)分析。

　　本文首先介紹了高壓IGBT芯片及其動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)。其次，根據(jù)芯片的動(dòng)靜態(tài)損耗結(jié)果，本文提出了損耗的解析公式，并推導(dǎo)了芯片熱穩(wěn)定性的判據(jù)。最后，通過(guò)對(duì)比分析高壓NPT型和FS型IGBT芯片的熱穩(wěn)定特性，得到了換流運(yùn)行下兩類(lèi)高壓IGBT芯片的最高工作頻率和最大工作電流，并針對(duì)不同頻率的應(yīng)用場(chǎng)景提出了器件選型和損耗評(píng)估的建議。IGBT芯片與動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)IGBT芯片在換流運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)靜態(tài)損耗導(dǎo)致芯片結(jié)溫升高，當(dāng)芯片結(jié)溫過(guò)高時(shí)，會(huì)進(jìn)而引發(fā)熱不穩(wěn)定性等問(wèn)題。并且，IGBT芯片的動(dòng)靜態(tài)損耗受芯片的換流條件(負(fù)載電流，阻斷電壓)和芯片結(jié)溫的影響。因此，為研究IGBT芯片的熱穩(wěn)定性，需要首先研究IGBT芯片的動(dòng)靜態(tài)損耗的電熱特性。

　　1.1NPT型和FS型高壓IGBT芯片

　　高壓NPT型和FS型IGBT芯片在設(shè)計(jì)上有許多區(qū)別，其中最典型的就是IGBT芯片摻雜濃度的不同。以本文中研究的高壓NPT型和FS型IGBT芯片為例。

　　相比于NPT型IGBT芯片，F(xiàn)S型IGBT的芯片結(jié)構(gòu)中增加了場(chǎng)截止層。因此，NPT型IGBT芯片內(nèi)部的電場(chǎng)分布呈三角形，而FS型IGBT芯片內(nèi)的電場(chǎng)分布則近似為梯形。FS型IGBT芯片內(nèi)部的場(chǎng)截止層不僅改變了芯片內(nèi)電場(chǎng)分布，同時(shí)還使得FS型IGBT芯片具有更小芯片寬度，使之可以有更小的通態(tài)管壓降。

　　IGBT芯片參數(shù)對(duì)芯片損耗等外特性的影響是復(fù)雜的，所以，在IGBT芯片設(shè)計(jì)中，往往需要根據(jù)工程中器件的應(yīng)用需求，對(duì)芯片的動(dòng)靜態(tài)損耗等性能進(jìn)行權(quán)衡。即使同類(lèi)型的芯片，其動(dòng)靜態(tài)特性也會(huì)有差異。而對(duì)于換流閥工況而言，芯片的動(dòng)靜態(tài)損耗特性和器件的散熱設(shè)計(jì)直接決定了芯片穩(wěn)定工作的區(qū)域。因此，開(kāi)展IGBT芯片熱穩(wěn)定性的分析，需首先測(cè)量芯片的動(dòng)靜態(tài)損耗特性。

　　1.2IGBT芯片動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)

　　為了研究高壓IGBT芯片的動(dòng)靜態(tài)損耗特性，本文選擇了額定3.3kV/50A的NPT型IGBT芯片，和3.3kV/62.5A的FS型IGBT芯片作為被測(cè)對(duì)象(DeviceUnderTest,DUT)。NPT型和FS型IGBT芯片是高壓柔性電力電子裝備中主要使用的芯片，其動(dòng)靜態(tài)特性的研究結(jié)果也可以為高壓IGBT器件的選型提供參考。

　　IGBT芯片被固定在加熱板上，以此調(diào)控芯片的結(jié)溫。同時(shí)，電流探頭和電壓探頭分別測(cè)量芯片的集電極電流和集電極電壓ce。σ是靜態(tài)平臺(tái)直流母排和連接導(dǎo)線的寄生電阻。當(dāng)設(shè)置直流電源gg的輸出電壓為15V時(shí)，直流電壓源cc輸出的脈沖電壓信號(hào)會(huì)在芯片的集電極發(fā)射極回路產(chǎn)其中平臺(tái)的寄生電感σ約為0.3μ，負(fù)載電感為1mH，柵極電阻為20Ω。直流電容器通過(guò)直流電源充電，并為IGBT芯片提供反向阻斷電壓。IGBT芯片的集電極電流可通過(guò)柵極脈沖信號(hào)的脈寬調(diào)控，芯片結(jié)溫可通過(guò)固定芯片的加熱板調(diào)控。利用動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)，可以研究芯片在不同結(jié)溫、負(fù)載電流和阻斷電壓下的動(dòng)靜態(tài)損耗。

　　2高壓IGBT芯片的損耗特性

　　2.1IGBT芯片的靜態(tài)損耗特性考慮到芯片在換流運(yùn)行時(shí)可在25℃至125℃的范圍內(nèi)工作，因此需要研究不同溫度下IGBT芯片的靜態(tài)特性。IGBT芯片的最大工作電流會(huì)隨著芯片工作頻率的增加而減小。對(duì)于NPT型IGBT芯片，當(dāng)工作頻率為500Hz時(shí)，芯片的最大工作電流為48;當(dāng)工作頻率升高至2kHz時(shí)，芯片的最大工作電流減小為28A。當(dāng)工作頻率達(dá)到3kHz時(shí)，NPT型IGBT芯片的最大工作電流為22A，而FS型IGBT芯片的最大工作電流僅為20A。

　　可見(jiàn)，雖然FS型IGBT芯片具有更高的額定電壓，但是由于芯片熱穩(wěn)定性的限制，NPT型IGBT芯片在中頻工況下具有更寬的穩(wěn)定工作區(qū)。 當(dāng)工作頻率超過(guò)1.3kHz時(shí)，NPT型IGBT芯片便無(wú)法工作在額定電流下。同時(shí)，在芯片負(fù)載電流為30A時(shí)，由于動(dòng)態(tài)損耗的減小，芯片的最大工作頻率可以達(dá)到2.6kHz。

　　芯片設(shè)計(jì)論文： TMR單芯片微弱電流傳感器技術(shù)應(yīng)用研制

　　結(jié)論

　　本文主要針對(duì)高壓IGBT芯片在換流運(yùn)行中的熱穩(wěn)定性開(kāi)展了分析，并以3.3kV高壓NPT型和FS型IGBT芯片為例，對(duì)比分析了不同芯片在高壓直流輸電工程應(yīng)用中的損耗特性和穩(wěn)定工作區(qū)域。主要結(jié)論如下：

　　(1)實(shí)驗(yàn)研究了NPT型和FS型IGBT芯片不同溫度下的動(dòng)靜態(tài)損耗特性與電壓、電流的關(guān)系。結(jié)果表明，在相同換流條件下，高壓FS型IGBT芯片具有更低的靜態(tài)損耗，高壓NPT型IGBT芯片具有更低的動(dòng)態(tài)損耗。(2)提出了高壓IGBT芯片的損耗擬合公式，推導(dǎo)了IGBT芯片的熱穩(wěn)定性判據(jù)。解析的擬合公式不僅與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性，同時(shí)也簡(jiǎn)化了高壓IGBT芯片的熱穩(wěn)定性分析。(3)分析了高壓IGBT芯片的熱穩(wěn)定特性，研究了高壓IGBT芯片在不同換流工況下的穩(wěn)定工作區(qū)域。得到了高壓IGBT芯片在不同工作頻率下的最大工作電流，為高壓直流輸電工程應(yīng)用中的器件的選型與損耗評(píng)估提供了參考。

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　　作者：范迦羽1，鄭飛麟1，和峰2，王耀華2，彭程1，李學(xué)寶1，崔翔1