高压IGBT芯片换流运行的热稳定性分析

　　摘要：为保证高压绝缘栅双极型晶体管(nsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件换流运行时的热稳定性，需要根据IGBT芯片的电热特性和器件的散热设计，确定芯片运行的热稳定工作区，从而指导器件的运行条件控制。虽然针对芯片动静态损耗的热稳定性分析已经发展了许多年，但目前针对高压芯片的相关研究还较少。首先，通过实验测量了3.3kV非穿通(NonPunchThrough,NPT)型和场截止(FieldStop,FS)型IGBT芯片的动静态特性，获得并分析了温度、电流及电压对动静态损耗特性的影响规律。在此基础上，给出了IGBT芯片的损耗拟合公式，通过对器件内部的热反馈过程进行分析，提出了具有解析形式且包含占空比、换流频率及电压电流等器件运行工况的IGBT芯片的热稳定性判据。根据本文所提的判据，分析了高压NPT型和FS型IGBT芯片的换流运行的热稳定性，可方便确定IGBT芯片在不同的换流条件下的最大工作频率和最大工作电流，简化了高压IGBT芯片的热稳定性分析，并可为高压器件的选型和损耗评估提供依据。

　　关键词：高压IGBT芯片;热稳定性;换流运行

　　引言

　　绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件因其低损耗和全控特性，已经在柔性电力电子装备中得到了广泛应用[1][2]。几十年来，IGBT已经发展出了穿通型(PunchThrough，PT)，非穿通型(NonPunchThrough，NPT)和场截止型(FieldStop，FS)三种不同结构的芯片[3]。不同IGBT器件因其芯片结构、参数和封装设计的差异具有不同的损耗特性。

　　因此，在实际应用中，选择满足工程要求的IGBT器件是非常重要的。在IGBT器件的换流运行工况下，为了保证器件换流过程中的热稳定性，需要根据IGBT器件内并联芯片损耗的电热特性和器件的散热设计，确定芯片稳定运行的工作区域[4]。然而，芯片在实际工况中损耗的电热特性与电力电子装备的拓扑设计和组件结构直接相关，无法从数据手册中获得[5]。

　　随着柔性电力电子装备功率等级的提升，装备和器件的损耗不断增加，器件及其内部规模化并联芯片的热不稳定性问题在高压大功率应用中的影响已经不可忽视。但目前针对高压芯片的相关研究还较少，为此，需要开展高压芯片的热稳定性分析，以指导器件的研制、选型及运行条件控制。 芯片的热稳定性分析是半导体器件领域基本但又重要的分析方法。1993年，法国的S.Lefebvre研究了零电流开关(eroCurrentSwitching,ZCS)换流条件下PT型IGBT芯片和NPT型IGBT芯片的动态损耗特性[6][7]。

　　研究表明，NPT型芯片的关断损耗虽比PT型芯片更高，但NPT型IGBT芯片在运行中有更宽的稳定工作区域。1994年，S.Rael和Ch.Schaeffer提出了一种解析的损耗公式，对比分析了不同型号IGBT芯片的热稳定性[8]。文献[8]中所提的解析损耗公式虽然简化了热稳定性的分析，但是公式主要针对于中低压器件，且其计算的损耗结果与实验相比有较大的误差。之后，盛况等人在2000年研究了不同换流电路拓扑对芯片电热特性和热稳定性的影响[5]。

　　随着器件性能的不断发展，ABB公司的R.Schnell和U.Schlapbach提出，阻断状态下芯片漏电流引起的热不稳定限制了功率芯片的最高工作温度，这一现象也需关注[4][9]。2015年，不莱梅大学的C.Bödeker等研究了1700VSiC二极管在高频换流情况下的热稳定特性[10]。目前，热稳定性分析领域大多数工作关注中低压芯片，但是芯片在高压大功率应用中的经济性和安全稳定工作却面临着更严峻的挑战。

　　为了满足高压直流输电(HighVoltageDirectCurrent,HVDC)的需要，IGBT芯片的最高电压等级已经达到了6.5kV[11][12]。一方面，在柔性电力系统中，高压IGBT器件的稳定安全运行至关重要。热稳定性分析不仅限制了单支IGBT芯片可工作的最高频率和最大电流，也间接决定了装备中器件的串并联数量。另一方面，对于柔性电力电子装备，因其处于长期运行状态，高压芯片的损耗也会大幅增加。因此对于装备设计者而言，过多的芯片冗余在经济性上是不可接受的[13][14]。

　　考虑到芯片的结温与损耗在实际工况中是随工作频率变化的，因此，热稳定性分析可以为器件的损耗评估提供更直接的参考。所以，高压芯片的热稳定性分析对HVDC工程非常重要。并且，目前柔性电力电子装备用高压大功率IGBT器件主要使用的是NPT型和FS型IGBT芯片，目前文献对NPT型IGBT芯片虽开展了一些热稳定性研究，但还未见FS型IGBT芯片相关的研究报道。因此，从器件选型的角度，也有必要对FS型IGBT芯片的热稳定特性展开分析。

　　本文首先介绍了高压IGBT芯片及其动静态特性测试平台。其次，根据芯片的动静态损耗结果，本文提出了损耗的解析公式，并推导了芯片热稳定性的判据。最后，通过对比分析高压NPT型和FS型IGBT芯片的热稳定特性，得到了换流运行下两类高压IGBT芯片的最高工作频率和最大工作电流，并针对不同频率的应用场景提出了器件选型和损耗评估的建议。IGBT芯片与动静态特性测试平台IGBT芯片在换流运行中会产生动静态损耗导致芯片结温升高，当芯片结温过高时，会进而引发热不稳定性等问题。并且，IGBT芯片的动静态损耗受芯片的换流条件(负载电流，阻断电压)和芯片结温的影响。因此，为研究IGBT芯片的热稳定性，需要首先研究IGBT芯片的动静态损耗的电热特性。

　　1.1NPT型和FS型高压IGBT芯片

　　高压NPT型和FS型IGBT芯片在设计上有许多区别，其中最典型的就是IGBT芯片掺杂浓度的不同。以本文中研究的高压NPT型和FS型IGBT芯片为例。

　　相比于NPT型IGBT芯片，FS型IGBT的芯片结构中增加了场截止层。因此，NPT型IGBT芯片内部的电场分布呈三角形，而FS型IGBT芯片内的电场分布则近似为梯形。FS型IGBT芯片内部的场截止层不仅改变了芯片内电场分布，同时还使得FS型IGBT芯片具有更小芯片宽度，使之可以有更小的通态管压降。

　　IGBT芯片参数对芯片损耗等外特性的影响是复杂的，所以，在IGBT芯片设计中，往往需要根据工程中器件的应用需求，对芯片的动静态损耗等性能进行权衡。即使同类型的芯片，其动静态特性也会有差异。而对于换流阀工况而言，芯片的动静态损耗特性和器件的散热设计直接决定了芯片稳定工作的区域。因此，开展IGBT芯片热稳定性的分析，需首先测量芯片的动静态损耗特性。

　　1.2IGBT芯片动静态特性测试平台

　　为了研究高压IGBT芯片的动静态损耗特性，本文选择了额定3.3kV/50A的NPT型IGBT芯片，和3.3kV/62.5A的FS型IGBT芯片作为被测对象(DeviceUnderTest,DUT)。NPT型和FS型IGBT芯片是高压柔性电力电子装备中主要使用的芯片，其动静态特性的研究结果也可以为高压IGBT器件的选型提供参考。

　　IGBT芯片被固定在加热板上，以此调控芯片的结温。同时，电流探头和电压探头分别测量芯片的集电极电流和集电极电压ce。σ是静态平台直流母排和连接导线的寄生电阻。当设置直流电源gg的输出电压为15V时，直流电压源cc输出的脉冲电压信号会在芯片的集电极发射极回路产其中平台的寄生电感σ约为0.3μ，负载电感为1mH，栅极电阻为20Ω。直流电容器通过直流电源充电，并为IGBT芯片提供反向阻断电压。IGBT芯片的集电极电流可通过栅极脉冲信号的脉宽调控，芯片结温可通过固定芯片的加热板调控。利用动静态特性测试平台，可以研究芯片在不同结温、负载电流和阻断电压下的动静态损耗。

　　2高压IGBT芯片的损耗特性

　　2.1IGBT芯片的静态损耗特性考虑到芯片在换流运行时可在25℃至125℃的范围内工作，因此需要研究不同温度下IGBT芯片的静态特性。IGBT芯片的最大工作电流会随着芯片工作频率的增加而减小。对于NPT型IGBT芯片，当工作频率为500Hz时，芯片的最大工作电流为48;当工作频率升高至2kHz时，芯片的最大工作电流减小为28A。当工作频率达到3kHz时，NPT型IGBT芯片的最大工作电流为22A，而FS型IGBT芯片的最大工作电流仅为20A。

　　可见，虽然FS型IGBT芯片具有更高的额定电压，但是由于芯片热稳定性的限制，NPT型IGBT芯片在中频工况下具有更宽的稳定工作区。 当工作频率超过1.3kHz时，NPT型IGBT芯片便无法工作在额定电流下。同时，在芯片负载电流为30A时，由于动态损耗的减小，芯片的最大工作频率可以达到2.6kHz。

　　芯片设计论文： TMR单芯片微弱电流传感器技术应用研制

　　结论

　　本文主要针对高压IGBT芯片在换流运行中的热稳定性开展了分析，并以3.3kV高压NPT型和FS型IGBT芯片为例，对比分析了不同芯片在高压直流输电工程应用中的损耗特性和稳定工作区域。主要结论如下：

　　(1)实验研究了NPT型和FS型IGBT芯片不同温度下的动静态损耗特性与电压、电流的关系。结果表明，在相同换流条件下，高压FS型IGBT芯片具有更低的静态损耗，高压NPT型IGBT芯片具有更低的动态损耗。(2)提出了高压IGBT芯片的损耗拟合公式，推导了IGBT芯片的热稳定性判据。解析的拟合公式不仅与实验结果有很好的一致性，同时也简化了高压IGBT芯片的热稳定性分析。(3)分析了高压IGBT芯片的热稳定特性，研究了高压IGBT芯片在不同换流工况下的稳定工作区域。得到了高压IGBT芯片在不同工作频率下的最大工作电流，为高压直流输电工程应用中的器件的选型与损耗评估提供了参考。

　　参考文献：

　　[1]TANGong,CHENMin,JIAGuanlong,etal.TopologyofurrentlimitingandnergytransferringDCircuitreakerforistributionetworks[J].CSEEJournalofPowerandEnergySystems,2020,6(2):298306.

　　[2]SUNJian,LIMingjie,ZHANGZhigang,etal.RenewableenergytransmissionbyHVDCacrossthecontinent:systemchallengesandopportunities[J].CSEEJournalofPowerandEnergySystems,2017,3(4):353364.

　　[3]PFAFFENLEHNERM,BIERMANNJ,SCHAEFFERC,etal.New3300VchipgenerationwithatrenchIGBT andanoptimizedfieldstopconceptwithasmoothswitchingbehavior[C].ProceedingsofInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&ICs,Kitakyushu,Japan,2004:pp.107110.

　　[4]SCHLAPBACHU,RAHIMOM,ARXC,etal.1200VIGBTsoperatingat200℃?Aninvestigationonthepotentialsandthedesignconstraints[C].ProceedingsofInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandIC's,Jeju,Korea,2007:912.

　　[5]SHENGKuang,FINNEYSJ,WILLIAMSBW.ThermalstabilityofIGBThighfrequencyoperation[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2000,47(1):16.

　　[6]LEFEBVRES,FORESTF,CHANTEP.MaximumswitchingfrequencychoiceforIGBTusedinZCSmode[C]roceedingsofFifthEuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications,Beighton,UK1993:356361.

　　作者：范迦羽1，郑飞麟1，和峰2，王耀华2，彭程1，李学宝1，崔翔1