PDF《压接式 IGBT 模块的开关特性测试与分析》

s package feature and semiconductor knowledge. Keywords: press鄄pack IGBT;

double鄄pulse test;

switching performance 电源学报Journal of Power Supply Vol.15 No.6 Nov.

2017 第15 卷第6期2017 年11 月 总第

74 期电源学报电技术的关键设备, 对大功率 IGBT 器件的封装特 性和电气性能提出了更高要求[6] . 在焊接式 IGBT 模 块封装设计中,采用键合线实现内部芯片和外部电 路的电气连接, 使键合线成为焊接式 IGBT 模块中 最为脆弱的部分[7] ,限制了 IGBT 模块功率等级的提 高并影响到 IGBT 模块的使用寿命 [8] . 压接式 IGBT 模块则采用类似晶闸管、IGCT 的封装设计,无键合 线的引入,具有热阻低、杂散参数小等特点,适用于 功率等级高、开关速度更快的电力变换场合. 压接 式IGBT 模块具有短路直通的失效模式, 是功率模 块串联应用的理想器件[9] ,成为混合型直流断路器 中的核心部件. 目前,ABB、Toshiba、Westcode 等跨国公司相继 推出了压接式 IGBT 模块, 国内外高校及研究机构 对压接式 IGBT 模块进行了初步的测试和分析. 文献[10]建立了 Westcode 的压接式 IGBT 模块内部芯 片的电-热-机多物理场耦合模型,但主要探讨了芯 片的静态热应力分布;

文献[11]比较了焊接式和压 接式 IGBT 的性能, 证明了压接式 IGBT 模块具有 广阔的应用前景;

文献[12]中对 Toshiba 的压接式 IEGT 进行了工程设计, 但对功率器件的动态性能 研究还不够深入. 为进一步掌握压接式 IGBT 的应 用特性, 仍需系统研究压接式 IGBT 模块在不同工 况下的开关特性.本文以 ABB 公司的 StakPak 型压 接式 IGBT 模块为研究对象, 搭建了一套双脉冲测 试平台,重点分析了压接力、负载参数、结温对压接 式IGBT 模块动态特性的影响规律,并从封装特性、 半导体物理层面对模块开关特性的变化机理进行 初步探讨.

1 压接式 IGBT 模块双脉冲测试平台 1.1 测试平台介绍 本文的研究对象为ABB 公司的StakPak 型IGBT 模块,型号为 5SNA 2000K451300,以该模块 的电气参数和封装特点为基础,设计了如图

1 所示 的压接式 IGBT 双脉冲测试电路. 双脉冲测试电路分为充放电电路和带感性负 载的半桥电路. 充放电电路的输入电源为单相 0~

250 V 可调交流源,升压变压器变比为 1:13. S1 为 充电继电器开关,S2 为放电继电器开关,R1 为阻值

5 kΩ、功率

500 W 的充电限流电阻,R2 为两个阻值

5 kΩ、功率

500 W 的电阻串联而成的放电电阻. 半 桥电路的母线电容为

15 个1.3 kV/1.8 mF 的薄膜 电容以

5 串3并的形式构成, 每个电容并联

3 个200 kΩ、功率

5 W 的电阻作为均压电阻. 测试电路 硬件参数则如表

1 所示. 半桥测试电路中 IGBT1 的栅极短路,其反并联 二极管用作续流二极管,IGBT2 作为待测器件,其 集鄄射间电压 vCE 由差分探头测量,其集电极电流 iC 则由同轴电阻测得. 该同轴电阻型号为 1M鄄2,带宽 为200 MHz,线性度高.其最大焦耳数为

125 J,其详 细参数如表

2 所示. IGBT1 和IGBT2 均与加热板依次间隔压接在一 起,压接力的大小则由外部液压机控制. 加热板对 图1双脉冲测试电路 Fig.1 Circuit of double鄄pulse test 加热电路R1 R2 S2 Cbus S1 0~250 V Lload IGBT1 IGBT2 同轴电阻 vGE iL iC iD D1 D2 表1双脉冲测试电路硬件参数 Tab.1 Parameters of double鄄pulse test platform 主要元器件 参数 母线电容 6.5 kV/1.08 mF 吸收电容