压接型IGBT芯片动态特性影响因素实验研究

彭 程， 李学宝， 曹子楷， 顾妙松， 唐新灵， 赵志斌， 崔 翔

(1.新能源国家重点实验室(华北电力大学)北京 102206；2.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院， 杭州 310016；3.先进输电技术国家重点实验室(国网智能电网研究院有限公司)，北京 102209)

0 引 言

高压大功率压接型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)器件因其具有双面散热、失效短路、功率密度大等优点,在高压大功率电力变换领域具有广阔的应用前景[1,2]。由于目前单颗IGBT芯片通流能力有限,压接型IGBT器件内部通过大规模的IGBT芯片并联连接来提高电流等级[3,4],图1给出了某款3.3kV/1 500A刚性压接型IGBT器件的结构示意图。

图1 压接型IGBT器件示意图Fig. 1 Schematic diagram of press pack IGBT device

图中可以看出压接型IGBT器件内部含有30颗IGBT芯片,14颗FRD(Fast Recovery Diode)芯片,导致其整体尺寸较大且内部空间紧凑。因此在压接型IGBT器件在运行过程中,其内部空间电-热-力等环境因素复杂且分布不均衡,不同位置处的IGBT芯片将承受不同的应力条件[5,6],IGBT芯片作为压接型IGBT器件内部的核心部件,其工作特性直接决定了整个压接型IGBT器件的安全可靠运行能力。其中,动态特性参数是考核其性能的重要参考依据,同时IGBT动态特性受到器件内部复杂环境因素的影响,为此研究IGBT芯片的动态特性及其影响因素具有重要意义[7,8]。

关于IGBT动态特性及其影响因素已有很多相关的研究,但目前研究对象大多集中焊接IGBT模块,同时影响因素主要集中于寄生参数、驱动参数及温度等[8-10]。这些研究对于推动焊接IGBT模块可靠运行具有积极作用。但是压接型IGBT器件与焊接IGBT模块封装有显著的差别,前者功率等级更大,内部多物理量环境更加复杂,电-热-力等因素相互耦合在一起,且不同位置处具有较大的差异[11,12]。另外在芯片结构上,压接与焊接使用的IGBT芯片也存在差异,例如压接IGBT芯片为了更好的承受机械压力,其内部的MOS结构更为复杂[13]。这些结构上的差异导致现有焊接IGBT模块的相关结论不能直接应用到压接IGBT上,需要对压接型IGBT芯片进行系统的实验研究。遗憾的是,目前针对压接型IGBT器件内部芯片动态特性及其影响因素的研究还很少有文献报道。为此全面研究压接型IGBT芯片的动态特性及其影响因素成为压接型IGBT器件研制过程中亟需解决的问题。

本文利用所研制的具有环境因素灵活调节的压接型IGBT单芯片动态特性实验平台,测量获得了母线电压、负载电流、驱动电阻、温度及机械压力等因素下IGBT芯片动态特性实验波形,分析了不同影响因素对IGBT芯片动态特征参数的影响规律,掌握了不同影响因素对芯片动态特性的影响程度,研究结果可以为高压大功率IGBT芯片建模及规模化并联芯片的封装设计提供指导。

1 IGBT芯片动态特性实验平台

在IGBT动态特性的测试中,一般采用IEC标准中的双脉冲测试电路[14],其基本电路和波形示意图如图2所示。图2(a)中包含充放电回路与实验回路两部分。充放电回路中含有高压直流电源Vbus、充电电阻R1、放电电阻R2及开关K1和K2,充放电回路为母线电容Cbus提供实验回路所需的母线电压。在实验回路中,IGBT为被测对象,FRD为续流二极管,Lload为负载电感。在上述双脉冲电路结构下,IGBT芯片的典型开关波形如图2(b)所示。为了表征芯片的动态特性,按照IEC标准定义了典型的开关过程波形参数,各参数的定义如表1所示。

表1 IGBT动态特征参数Tab.1 IGBT dynamic characteristic parameters

图2 双脉冲测试电路及波形[14]Fig. 2 Test circuit and waveform of double pulse[14]

为了能够实现不同影响因素下压接型IGBT芯片动态特性的研究,本文作者基于图2(a)的测试原理研制了图3所示的实验平台。为了保证压接型IGBT芯片表面受力的均衡度,在压力夹具中引入了压力均衡装置,使芯片表面不均衡度从46.7%降低到2.6%。采用环氧树脂板改善压力夹具各组件温度分布,使IGBT芯片结温误差由25.60%降低到0.27%[15],同时能够保证实验平台其他电气元件不受到温度的影响。该平台可以实现母线电压、负载电流、驱动电阻、温度及机械压力等参数灵活可调的能力,根据被测压接型IGBT芯片的工作条件,实验平台主要参数及影响因素设置范围如表2所示。

表2 动态特性实验平台参数Tab.2 Parameters of dynamic characteristics test platform

图3 双脉冲实验平台Fig. 3 Double pulse test platform

实验平台测量部分包括：测量vCE的探头型号为PPE4kV,测量vGE的探头型号为PP018,测量电流的罗氏线圈型号为CWT-Ultra mini06,示波器型号为HDO4104A,实验前对各探头进行了校准[16]。

2 IGBT芯片动态特性实验结果

2.1 不同母线电压

为了研究不同母线电压VCE对IGBT动态特性的影响规律,设负载电流为55 A、驱动电阻为40 Ω,机械压力为1 kN、温度为25 ℃。母线电压分别为400 V、800 V、1 200 V、1 600 V和2 000 V。其中需要保证不同电压下得到相同的负载电流,可通过改变第一个脉冲的宽度实现,IGBT导通时,负载电流的计算公式如式(1)所示。

(1)

由于母线电容的容值较大,实验过程中认为母线电压vbus几乎不变,则电流与时间成线性关系,即

(2)

从(2)式可知,充电时间t与vbus成反比。如图4所示,通过调整第一个脉冲宽度即可得到相同电流下的波形;图5展示了3个母线电压下的关断与开通波形;图6提取了不同母线电压下动态特征参数。

图4 不同母线电压下双脉冲波形Fig. 4 Double pulse waveform under different bus voltages

图5 不同母线电压下开通关断过程Fig. 5 Turn on and off process under different bus voltages

图6 母线电压对动态特征参数的影响Fig. 6 Influence of bus voltages on dynamic parameters

图6(a)看出关断过程tdoff、tf及toff随着VCE的增大而增大,原因在于图5(b)所示VCE影响密勒平台的宽度,VCE越高,密勒平台越宽。图6(b)看出开通过程tr随着VCE的增大而增大,原因在于图5(d)所示VCE影响电流过冲,但tdon几乎不受影响。图6(c)看出随着VCE的增大,Eoff和Eon同时线性增大。值得注意的是,图5(b)中箭头所示VCE影响iC过冲的大小,从iG的波形也可以得出相关信息,此结论为监测iC电流过冲提供了一个新的测量思路。

2.2 不同负载电流

为了研究不同负载电流IC对IGBT动态特性的影响规律,设母线电压为2 000 V,驱动电阻为40 Ω,机械压力为1 kN,温度为25 ℃,负载电流分别为28 A、41 A、55 A、67 A和80 A。如图7所示,通过调整第一个脉冲宽度,可获得不同负载电流下的双脉冲波形,图8展示了3个负载电流下的关断与开通波形,图9提取了不同负载电流下动态特征参数。

图7 不同负载电流下双脉冲波形Fig. 7 Double pulse waveform under different load current

图8 不同负载电流下开通关断过程Fig. 8 Turn on and off process under different load current

图9 负载电流对动态特征参数的影响Fig. 9 Influence of load current on dynamic parameters

图9(a)看出关断延时tdoff随着负载电流IC的增大而增大,这个过程包含vCE电压上升阶段,此阶段是IGBT内部在建立空间电荷区,原有的载流子迁移出电导调制区,当电流等级增大时,空间电荷区的建立时间增加。电流下降时间tf几乎不变,原因在于电流下降阶段,IGBT内部MOS沟道已经完全关闭,电流下降不再受到驱动电压的控制,仅由IGBT芯片内部的载流子寿命决定。因此,tf几乎不变,导致diC/dt随着IC的增大而增大。图9(b)看出开通过程tdon、tr及ton随着IC的增大而增大。与关断过程不同,开通过程diC/dt不随IC变化,原因在于电流上升阶段,IGBT电流主要由MOS电流构成,此电流严格受到栅极电压的控制,因为栅极条件未变,所以电流的上升率不变。结果导致tr随着IC线性增大。另外,可以观察到iC的过冲和iG的过冲时间上能够一一对应,进一步证明可以通过iG反映iC的信息。图9(c)看出随着IC的增大,Eoff和Eon同时增大,但Eon增长更快,原因在于IC增大会引起电压拖尾进而导致损耗增大,结合后面图10(b)看出通过减小RG能够减小电压拖尾。

图10 不同驱动电阻下开通关断过程Fig. 10 Turn on and off process under different gate resistor

2.3 不同驱动电阻

为了研究不同驱动电阻RG对IGBT动态特性的影响规律,设母线电压为1 200 V,负载电流为55 A,机械压力为1 kN,温度为25 ℃,驱动电阻分别为10 Ω、20 Ω和40 Ω进行双脉冲实验,图10显示了不同驱动电阻下的双脉冲关断与开通波形,图11提取了不同驱动电阻下动态特征参数。

图11 驱动电阻对动态特征参数的影响Fig. 11 Influence of gate resistor on dynamic parameters

图11(a)看出关断延时tdoff随着RG的增大而增大,原因在于图10(a)中RG影响了iG,导致IGBT内部的弥勒电容CGC放电时间变长。电流下降斜率diC/dt几乎不变,原因在于此时电流下降不受栅极电压的控制,仅由内部载流子寿命决定。图11(b)看出开通过程tdon、tr及ton随着RG增大而增大,原因在开通过程,IGBT电流主要为其内部的MOS沟道电流,此电流严格受到栅极电压vGE的控制,图10(c)可以看出RG影响vGE的整个充电过程,因此RG增大导致tdon和tr同时增大。从图11(c)可以看出随着RG增大Eon明显增大,Eoff轻微减小,但两者之和是增加的。

2.4 不同温度

为了研究不同温度T对压接型IGBT芯片动态特性的影响规律,设母线电压为2 000 V,机械压力为1 kN,负载电流分别为55 A,加热板温度分布设为25 ℃、50 ℃、75 ℃、100 ℃和125 ℃。图12展示了3个温度条件下的关断与开通波形,图13提取了不同温度下动态特征参数。

图12 不同温度下开通关断过程Fig. 12 Turn on and off process under different temperatures

图13 温度对动态特征参数的影响Fig. 13 Influence of temperature on dynamic parameters

图13(a)关断过程随着温度T增大,tdoff和toff轻微增大,主要原因在于在电流下降阶段,IGBT内部的复合起主导作用,温度影响载流子寿命,随着温度的升高,载流子寿命越大,复合过程越长,电流下降时间越大。图13(b)看出温度T对开通时间影响较小,原因在开通过程中,由于大量的过剩电子从MOS沟道注入,同时大量的过剩空穴从集电极注入,于是内部的复合作用影响很小。图13(c)看出T越大,Eoff几乎不变,Eon线性增大,同时也观察到Eoff在125 ℃时也出现了明显的偏移,说明IGBT芯片在125 ℃附近将要面临失效的风险。

2.5 不同机械压力

为了研究不同机械压力F对压接型IGBT芯片动态特性的影响规律,设置电流为55 A,母线电压为2 000 N,驱动电阻为40 Ω,温度为25 ℃,机械压力分别为1 kN、1.5 kN、2 kN、2.5 kN和3 kN。图14展示了3个机械压力下的关断与开通波形,图15提取了不同机械压力下动态特征参数。

图14 不同机械压力下开通关断过程Fig. 14 Turn on and off process under different press

图15 机械压力对动态特征参数的影响Fig. 15 Influence of press on dynamic parameters

图15(a)关断过程随着机械压力F增大,tdoff、tf和toff都轻微增大,图15(b)开通过程随着F增大,tdon几乎不变,ton和tr轻微减小,图15(c)看出随着F增大,Eoff增大,Eon几乎不变。压接型IGBT芯片动态特性不受机械压力影响的主要原因是对IGBT芯片内部结构进行了特殊设计,第一是利用栅极氧化层垫高JFET区域上面的金属层,有效降低了压力对MOS沟道的影响,第二是有源区额外增加了薄的金属铝,对芯片表面起到了压力缓冲的作用。这两个措施有效避免了压力对IGBT动态特性的影响[14]。

3 不同影响因素对比

为了量化每个影响因素对动态特征参数的影响程度,选取两个时间参数toff和ton、两个能量参数Eoff和Eon,分别提取各个动态特征参数在不同影响因素下的最大值及最小值,求出其变化率,汇总结果如表3所示。针对上述4个动态特征参数,绘制不同影响因素对比直方图,如图16所示。

表3 不同影响因素特征参数对比Tab.3 Comparison of characteristic parameters in different influencing factors

图16 不同影响因素对比直方图Fig. 16 Histogram for comparison of different influencing factors

从表3和图16可以看出,母线电压VCE和负载电流IC除了直接影响关断损耗Eoff和开通损耗Eon外,母线电压VCE主要影响关断过程,关断时间toff变化率为23.11%;负载电流IC主要影响开通过程,开通时间ton变化率为31.63%;除此之外,驱动电阻RG主要影响开通过程,开通时间ton变化率为52.7%,对关断损耗Eoff和开通损耗Eon相差不大,分别为23.8%和20.7%;温度T对开通过程有较明显的影响,其中开通时间ton变化率为10.4%,开通损耗Eon变化率为13.4%;机械压力F对开通关断过程的影响作用都很小,时间参数保持在2%以内。

4 结 论

本文针对压接型IGBT芯片,研制了基于双脉冲的动态特性实验平台;然后在不同母线电压、负载电流、驱动电阻、温度及机械压力下对压接型IGBT芯片进行了动态特性测试;得到了不同影响因素对压接型IGBT芯片动态特征参数的影响规律,实验结果对IGBT芯片建模及安全运行具有指导意义。基于实验结果,得到如下主要结论：

(1)不同影响因素对压接型IGBT芯片特征参数的影响阶段和程度不同, 母线电压主要影响关断过程,负载电流、驱动电阻和温度主要影响开通过程,机械压力对开通关断过程的影响都很小。

(2)分析不同影响因素下压接型IGBT芯片的双脉冲波形,发现影响开通和关断过程机制不同的主要原因是由其内部MOS沟道和载流子寿命决定,对双脉冲波形不同阶段进行了机理解释,实验波形对指导高压IGBT芯片建模具有指导意义。

(3)分析双脉冲动态特性测试波形,发现栅极电流iG可以反映集电极电流iC的信息,为此在压接型IGBT器件的在线监测时,可以通过测量iG反应运行状态的部分信息。