高压IGBT芯片换流运行的热稳定性分析

2022-10-11范迦羽郑飞麟王耀华李学宝

华北电力大学学报(自然科学版) 2022年5期

范迦羽，郑飞麟，和峰，王耀华，彭程，李学宝，崔翔

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206；2.先进输电技术国家重点实验室(北京智慧能源研究院)，北京 102209)

0 引言

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, 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(Punch Through，PT)，非穿通型(Non-Punch Through，NPT)和场截止型(Field Stop，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(Zero Current Switching, 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1 700 V SiC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(High-Voltage Direct Current, HVDC)的需要，IGBT芯片的最高电压等级已经达到了6.5 kV[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。

1 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。

1.1 NPT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，其典型芯片结构如图1所示。

图1 典型IGBT芯片结构Fig. 1 Typical structures of IGBT chips

如图1所示，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。

1.2 IGBT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3.3 kV/50 A的NPT型IGBT芯片，和3.3 kV/62.5 A的FS型IGBT芯片作为被测对象(Device Under Test, 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。其中，IGBT芯片动静态特性测试平台等效电路如图2所示。

图2 动静态特性测试平台的等效电路Fig. 2 Equivalent circuits of platform for dynamic and static characteristics

IGBT芯片静态特性测试平台的等效电路如图2(a)所示。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Ic和集电极电压Vce。Rσ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Vgg的输出电压为15 V时，直流电压源Vcc输出的脉冲电压信号会在芯片的集电极-发射极回路产生脉冲电流。电流的脉宽足够小，以保证IGBT芯片的结温不会因通态损耗而升高。

图2(b)是IGBT芯片动态特性测试平台的等效电路图。其中平台的寄生电感Lσ约为0.3 μH，负载电感L为1 mH，栅极电阻R1为20 Ω。直流电容器Cs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

2.1 IGBT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。不同温度下，NPT型和FS型IGBT芯片负载电流和通态管压降的关系如图3所示。

图3 不同温度下IGBT芯片的I-V特性Fig. 3 I-V characteristics of IGBT chips at different temperatures

在图3中，当温度为25 ℃，负载电流为30 A时，NPT型IGBT芯片的通态管压降为2.5 V；相同条件下FS型IGBT芯片的通态管压降为2.1 V。从图中可知，NPT型和FS型IGBT芯片的通态管压降都具有正温度特性，当FS型IGBT芯片的温度从25 ℃升至125 ℃时，其通态管压降升高至2.4 V。

对比图3(a)和图3(b)中的结果可知，FS型IGBT芯片比NPT型芯片有更低的通态管压降。如，当温度为25 ℃，负载电流为50 A时，NPT型IGBT芯片的通态管压降为3.1 V，比FS型IGBT芯片的通态管压降高0.4 V。在该条件下，NPT型和FS型IGBT芯片的通态损耗功率分别为155 W和135 W。同时，由于FS型IGBT芯片具有更大的额定电流，FS型IGBT芯片将在低频应用中比NPT型IGBT芯片具有更高的能量密度和更好的经济性。

2.2 IGBT芯片的动态损耗特性

在实际换流过程中，芯片的动态损耗会随负载电流、阻断电压和芯片结温的不同而变化，图4给出了NPT型IGBT芯片和FS型IGBT芯片的动态损耗和负载电流的关系。

图4 IGBT芯片动态损耗和负载电流的关系Fig. 4 Dependencies of dynamic loss on load current of NPT IGBT chip and FS IGBT chip

如图4(a)所示，IGBT芯片的动态损耗会随着负载电流的增加而增加。当阻断电压为1.5 kV，温度为25 ℃，电流为30 A时，NPT型IGBT芯片的动态损耗为30 mJ；而当电流为50 A时，动态损耗为63 mJ。同时，从图4(a)可知，IGBT芯片的动态损耗还受芯片结温和阻断电压的影响。

同时，从图4(b)中可知，NPT型IGBT芯片相比于FS型IGBT芯片具有更低的动态损耗。当NPT型IGBT芯片负载电流为50 A，阻断电压为2 kV，温度为25 ℃时，其动态损耗为80 mJ。在相同条件下，FS型IGBT芯片的动态损耗则超过了110 mJ。两款高压IGBT芯片的动态损耗都随着阻断电压的增加而增加。需指出的是，当FS型IGBT芯片负载电流小于30 A时，芯片的动态损耗阻断电压的关系近似线性；而芯片负载电流大于30 A时，芯片动态损耗随阻断电压增加趋于饱和。图4(a)中的实验结果表明，NPT型IGBT芯片的动态损耗是正温度系数的。但是在图4(b)中,当FS型IGBT芯片的负载电流为40 A时，芯片的动态损耗随着温度的升高几乎不变。甚至，当FS型IGBT芯片的负载电流小于40 A时，FS型IGBT芯片的动态损耗展示出了负温度特性。

根据IGBT芯片的损耗与芯片结温、负载电流和阻断电压的实验结果，可以得到芯片损耗的拟合公式。利用损耗拟合公式不仅能推导得到芯片的热稳定解析判据，简化热稳定性分析；还能确定芯片稳定工作区域，为器件选型和运行控制提供指导。

3 高压IGBT芯片的热稳定性判据

3.1 高压IGBT芯片的热反馈过程

当IGBT芯片在换流过程中，芯片的发热和散热是同时进行的。因此，IGBT芯片的结温由芯片的总损耗功率Pheat和散热功率Pcool共同决定。

(1)

式中：Ta为环境温度；Tj为IGBT芯片结温。

图5给出了当IGBT芯片的发热和散热过程处于平衡时，建立的IGBT芯片换流运行时的热反馈过程。

图5 IGBT芯片换流运行时的热反馈过程Fig. 5 Thermal feedback process in IGBT chip during operation states

如图5所示，当IGBT芯片工作在热稳定状态时，需要满足的第一个条件是芯片的总损耗功率等于芯片的散热功率，即

Pheat=Pcool

(2)

同时，为保证芯片工作在热稳定状态，还需满足芯片总损耗功率对结温的导数不大于散热功率对结温的导数，即

(3)

当IGBT芯片的结温过高时，会导致芯片性能的退化，从而引起芯片的失效。同时，若芯片工作的状态不满足式(3)条件，则微小的温度扰动可能会导致IGBT芯片结温的持续升高，从而导致芯片热不稳定失效。因此，为确保IGBT芯片在换流过程中的安全稳定工作，需要根据式(2)和式(3)确定IGBT芯片的稳定运行的工作区域。

3.2 高压IGBT芯片的热稳定性判据

为推导IGBT芯片的热稳定性判据，需要进一步对芯片的动静态损耗功率进行分析。根据实验结果，可以用数值拟合的方法得到IGBT芯片通态管压降Vce(on)和结温Tj、负载电流Ic的关系，其表达式为

Vce(on)=(a1+a2Tj+a3Tj2)Ic+(a4+a5Tj+a6Tj2)

(4)

式中：ai,i=1,2,3…6为拟合系数。

图6中给出了不同温度下IGBT芯片I-V特性曲线的测试结果以及根据式(4)的拟合结果的对比，需要说明的是，本文给出的拟合公式(4)只对大电流情况下的I-V特性曲线成立。考虑到在高压直流输电工程中，更关注芯片在大电流下的损耗情况；由于大电流下芯片的损耗更高，更易引起热不稳定问题，因此本文的上述处理方式对于高压芯片的热稳定分析是合理的。

2.2 香菇普通粉与香菇超微粉色差比较经色差仪测定，香菇普通粉的L*值为68.67，香菇超微粉的L*值为74.91，两者之间存在显著性差异(P<0.05)，表明香菇粉粒度越小，粉体的亮度越高。在实际生产中，可以通过减小香菇粉粒度提高其色泽。

图6 IGBT芯片I-V特性和拟合结果的对比Fig. 6 Comparisons of experimental results and fitting results on I-V characteristics

从图6中可知，当负载电流大于30 A时，IGBT芯片的通态管压降与拟合曲线有很好的一致性。采用数值拟合的方法不仅保证了损耗公式的精度，同时给出了通态损耗功率Pcon与芯片结温Tj的关系。解析的损耗公式简化了后续热稳定性判据的推导与分析，有助于确定高压IGBT芯片的稳定工作区域。

根据式(4)可得IGBT芯片的通态损耗功率Pcon表达式为

(5)

同样的，根据实验测量的芯片动态损耗Ed与芯片结温Tj，负载电流Ic、阻断电压Vce的关系，通过数值拟合可得到IGBT芯片动态损耗的拟合公式为

Ed=(b1+b2Tj+b3Tj2)IcVce+

(6)

式中：bi,i=1,2…9,是拟合系数。根据式(6)所得的高压IGBT芯片2 kV的动态损耗拟合结果和实验结果如表1所示。

如表1所列，高压NPT型和FS型IGBT芯片的动态损耗的实验结果与拟合结果非常接近。实验结果与拟合结果的差异在2.6 mJ以内，相对误差小于4.5 %。实验数据和拟合结果的对比表明本文所提拟合公式(6)具有很好的准确性。

表1 2 kV时IGBT芯片动态损耗实验结果与拟合结果对比Tab.1 Comparisons of experimental results and fitting results on dynamic loss at 2 kV (mJ)

将式(5)和式(6)代入式(2)中，可得热稳定性第一条件为

(a4+a5Tj+a6Tj2)Ic]+

f[(b1+b2Tj+b3Tj2)IcVce+

(7)

其中，IGBT芯片结温不应高于125 ℃。同理，可将式(3)改写为

(8)

式(7)和式(8)即为高压IGBT芯片的热稳定性判据。当式(7)和式(8)同时满足时，芯片工作在热稳定状态。同理，从芯片的热稳定性判据可知，工程中，需要根据IGBT芯片的动静态损耗特性确定芯片的稳定运行区域。

4 芯片换流运行的热稳定性分析

4.1 高压IGBT芯片的稳定换流状态

从式(7)和式(8)可知，IGBT芯片在换流过程中的芯片结温不仅取决于芯片的动静态损耗特性，还与芯片的运行条件，包括占空比α、工作频率f、负载电流Ic、阻断电压Vce有关，同时也与器件封装的结到壳热阻Rth有关。当以上参数确定后，IGBT芯片的稳定结温便可通过式(7)和式(8)得到。

当IGBT芯片换流运行的占空比α为0.5，阻断电压为2 kV时，NPT型IGBT芯片在不同负载电流、不同工作频率下的结温关系如图7所示。

图7 不同频率下NPT型IGBT芯片结温Fig. 7 NPT IGBT’s chip junction temperatures at different frequencies

在图7中，实线代表不同频率下NPT型IGBT芯片的总损耗功率Pheat，图中虚线代表不同热阻下散热功率Pcool随温度变化的关系。例如，当芯片的工作频率超过2 kHz且封装热阻为0.75 ℃/W时，芯片的总损耗功率在25 ℃至125 ℃温度范围内均大于散热功率，表明当芯片的负载电流为30 A时，此类芯片的开关频率不能超过2 kHz。当芯片负载电流为50 A时，对比图7(a)和图7(b)中的结果，芯片的总损耗功率随着负载电流的增加显著增加。同时，当NPT型IGBT器件的热阻为0.5 ℃/W时，芯片也无法稳定工作在1.5 kHz频率下。

同理，FS型IGBT芯片在不同负载电流、不同工作频率下的结温关系如图8所示。

图8 不同频率下FS型IGBT芯片结温Fig. 8 FS IGBT’s chip junction temperatures at different frequencies

对比图7和图8的结果可知，由于NPT型IGBT芯片具有更低的动态损耗，因此NPT型IGBT芯片具有比FS型IGBT芯片更高的最大工作频率。当芯片的负载电流为30 A时，且芯片的工作频率和封装热阻分别为 3 kHz和0.5 ℃/W时，NPT型IGBT芯片的稳定结温接近125 ℃，而FS型IGBT芯片则无法工作。结合NPT型IGBT芯片和FS型IGBT芯片的损耗特性可知，虽然FS型IGBT芯片具有更低的通态管压降，但是其在高压中频应用中的稳定工作区域却较小。因此，在工程实际中，需要考虑工程需求，以选择性能合适的器件。

4.2 高压IGBT芯片中频工况下的稳定工作区

当NPT型IGBT芯片的工作频率大于1 kHz时，芯片的动态损耗占其总损耗的50%以上。因此，为保证芯片在工程中的安全稳定运行，并确定IGBT芯片的串并联数量，需要研究芯片的稳定工作区。当阻断电压为2 kV，封装热阻为0.75 ℃/W时，高压NPT型和FS型IGBT芯片在不同负载电流下的稳定工作区如图9所示。

图9 IGBT芯片的稳定工作区Fig. 9 Stable operation areas of IGBT chip

从图9(a)中可知，当工作频率超过1.3 kHz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30 A时，由于动态损耗的减小，芯片的最大工作频率可以达到2.6 kHz。在图9(b)中，当FS型IGBT芯片的负载电流为30 A时，芯片的最大可工作频率为2.2 kHz。而当芯片工作在额定电流时，FS型IGBT芯片的最大可工作频率约为1 kHz。因此，由于芯片动态损耗过大，在中频工况下，FS型IGBT芯片的稳定工作区较NPT型IGBT更小。

同时，图10给出了当占空比为0.5，器件结到壳热阻为0.75 ℃/W时，不同工作频率下芯片负载电流与结温的关系。

图10 不同工作频率下芯片负载电流与结温的关系Fig. 10 Relationship between junction temperature and collector current under different frequencies

由图10可知，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500 Hz时，芯片的最大工作电流为48 A；当工作频率升高至2 kHz时，芯片的最大工作电流减小为28 A。当工作频率达到3 kHz时，NPT型IGBT芯片的最大工作电流为22 A，而FS型IGBT芯片的最大工作电流仅为20 A。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。