直播回忆 | 「图文实录」高压大年夜功率压接器件封装中的电磁问题_器件_芯片

【主题】高压大功率压接器件封装中的电磁问题

【韶光】7月9日 15：00-16：00

【高朋】赵志斌 华北电力大学教授、博士生导师

▌以下为整理的分享内容（略有删减）。

本日和大家分享的内容包括以下4个方面，研究背景，芯片的分选方法，高压器件封装材料的绝缘特性，末了环绕我们和国网公司环球能源互联网研究院共同提出的18千伏125安的碳化硅IGBT器件，大略阐述电感打算的一些问题。

大力开拓清洁能源，实现能源转型的需求，使得电网面临新能源消纳，分布式电源接入，电能运送灵巧可控，远间隔传输等难题。
这些问题的办理全部依赖于高压大容量电力电子装备的广泛运用。

电力电子装备在电源、电网、负荷各方面占比快速提高，已成为智能电网的新型电网装备和“中国制造2025”的重点发展装备。

电力电子器件是高压大容量电力电子装备的核心器件，如柔性直流换流阀，高压直流断路器等柔性直流输电装备，统一潮流掌握器、固态开关、固态断路器等灵巧互换输电装备，这些支撑电网新技能发展需求的高端装备的研发，都离不开高压大功率电力电子器件作为核心支撑。

电网对付器件提出了电压高、容量大，具有更大的短路耐受和关断能力的哀求，以提高系统整体可靠性，增强经济性和适用性，知足柔性直流换流阀中和直流断路器中，器件须要承受远高于额定电流的浪涌电流的需求，这些方面的需求直接导致具有失落效短路和高效散热的封装形式，更适用于电网的哀求。

器件失落效开路会在开断处涌现电弧燃烧效应，导致电力电子装备的烧毁，因此须要器件失落效时保持短路状态，器件容量大，功率高，须要双面散热，降落热阻，同时得到更高的单器件额定电流。
压接型封装的器件具有双面散热、失落效短路、易于串联、杂散电感低等优点，特殊适宜电网中的高压大容量电力电子装备的运用工况。

碳化硅材料具有禁带宽度高，临界击穿场强大、热导率高的优点，是适用于制造电力系统用高压大功率器件的材料，目前可以用于电网高压装备的碳化硅器件的研制，尚属起步阶段。

在高压大功率碳化硅器件封装方面，面临以下问题：

第一，由于碳化硅芯片的参数同等性的差异，须要选择参数靠近的芯片进行封装。

第二，高压碳化硅芯片终真个宽度窄，芯片尺寸小，场强高，封装构造设计和添补材料绝缘的哀求高，碳化硅芯片开关速率快，哀求更低的封装集成电感。

同时，小尺寸高电压导致了高场强，开关速率哀求的低电感，封装绝缘材料提出的散热需求等成分相互耦合，相互制约，导致高压大功率碳化硅器件的封装面临着很高的技能寻衅。

下面我们先容芯片分选方法方面的研究事情。

这部分内容是我们最近开展的芯片分选方面的事情。
目前碳化硅芯片技能还不足成熟，芯片参数存在较为突出的同等性问题。

在封装中须要多芯片并联，这时由于芯片的参数差异，可能会导致严重的电流分配不屈衡。
为实现碳化硅芯片在大电流需求场合的封装运用，提出了基于转移曲线间隔系数的芯片聚类分选方法，来改进并联芯片电流的分配。

以1200伏碳化硅MOSFET为例，图中显示的是我们统计测试得到的碳化硅MOSFET器件，硅MOSFET器件，硅IGBT器件紧张参数的分散性。
从图中可以看出，在导通电阻、阈值电压和跨导系数这三个参数方面，碳化硅MOSFET器件的参数分散性，都较硅的MOSFET和IGBT器件更大，因此碳化硅MOSFET器件的并联须要重点考虑芯片的电气参数差异导致的并联电气参数的差异。

由于碳化硅MOSFET导通电阻具有正温度系数，因此它的稳态电流分配具有一定的自平衡能力。

我们重点谈论并联碳化硅MOSFET的瞬态电飘泊布，根据我们之前对碳化硅MOSFET器件电气参数的研究，认为在高频运用处景下，栅级电阻较小，器件集成电容差异可以忽略，因此认为影响瞬态电流分配的关键参数是阈值电压和跨导。
从右侧公式中可以看出，电流分配的差异与阈值电压的差异呈现负干系，与跨导差异成正干系。

为综合考虑阈值电压和跨导对并联芯片电流分配的影响，同时考虑到跨导参数随阈值电压的变革特色，我们提出了用转移曲线作为表征，并联芯片瞬态电流分配的关键参数。

我们选取两组对照器件如图所示，第一组中15号和17号器件，阈值电压的差异较小，但从右图可以看出，他们的电流分配差异较为明显。
而第二组20和27号器件，只管相对而言阈值电压差异比较大，但从右图可以看出瞬态电流分配的差异较小，这是由于跨导的差异补偿了阈值电压差异的影响。
因此采取基于转移曲线的分选方法，综合考虑阈值电压和跨导的共同浸染，能更准确地表征并联芯片的损态电流分配。

既然碳化硅MOSFET的瞬态电流分配，可以采取芯片转移曲线的差异来表征，那么我们就可以将并联瞬态电流分配的差异等价转化为芯片的转移曲线差异，进而又可以等价转化为转移曲线间隔系数的差异，从而进行量化剖析。
这样我们就可以将芯片分选问题抽象为一个数学问题来进行剖析。

为了进行数学描述，我们引入了两个间隔，第一个间隔我们称为芯片间隔，也便是将转移曲线离散化，用一个一维向量来表征一条转移曲线，将向量间的栏式间隔定义为芯片间隔。
第二个间隔是芯片簇间隔，也便是我们任意组合在一起的不同的芯片，我们就成为一个芯片簇，用这个间隔我们来表征，包含多颗芯片的一组芯片簇之间的间隔。
由于电流不屈衡，常日关注的是多颗芯片并联后涌现的最大的电流分配差异。
那么我们就用最长芯片间隔来定义芯片簇间隔。

在前面给出的两个间隔定义的根本上，我们提出了基于转移曲线间隔系数的层次聚类算法来实现芯片的分选。

这种方法的大致流程如下，首先我们通过测试得到芯片的转移曲线，然后把曲线进行离散化，打算前面定义的两类间隔，接着进行聚类合并和产生新簇，直至剩下一个簇，末了根据间隔系数阈值，确定簇的个数及各组成员。

对付聚类阈值的确定，我们通过建立静动态电路模型，创造并联芯片瞬态电流不屈衡度与转移曲线间隔的系数呈现线性关系，也便是我们右下角图给出的线性关系。
这样我们就可以根据电流分配我们须要的差异掌握阈值和这两者之间的线性关系，来确定转移曲线间隔系数的阈值，从而我们得到分选结果。

为了验证我们提出的芯片聚类分选方法，我们建立了多器件并联圆周布局的实验平台，肃清电路不对称导致的集成参数的影响。
同时我们运用循环换位的方法，验证了所设计的实验平台，各岔路支路电路参数同等，把芯片放置在不同的位置，然后循环丈量。
如右图所示，4个器件并联情形下，经由4次循环换位后，可以看出同一个器件在不同位置处的瞬态电流波形险些完备重合，这解释我们在后续丈量中可以不须要考虑由于电路不对称导致的集成参数差异。

我们谈论了分选方法的温敏特性，如图所示在25度到165度的温度范围内，任意两个器件之间的转移曲线，间隔系数对温度的敏感性较低。
相应的，相同两个器件并联的电流分配差异在不同温度下险些不变。
转移曲线的分选方法，受温度的影响较弱。

依据室温下电流不屈衡度与转移曲线间隔系数的关联关系进行分选，也可以适用于较宽温度范围内的分选。

我们还通过挑选多种器件进行实验，验证了瞬态电流不屈衡度与转移曲线间隔系数的关系，并基于所开拓的芯片聚类分选算法，实现了28个器件的自动分选。

图中一共是28个芯片，假设并联瞬态最大电流不屈衡度哀求掌握在10%以内，对应的转移曲线间隔系数阈值则为4.137%，这是由分选方法算出的。

根据这一阈值可以将28个芯片分为4类，个中包含有不同的芯片。
从28个器件中挑选两组对照器件，个中一组是未经由分选可能涌现的极度情形，也便是我们随机选取的8、10、15、28一组，然后另一组是从某一个簇中挑选的9、12、15、27。
从实验结果看出分选后器件的最大电流不屈衡度明显降落。

末了须要解释的是由于芯片厂商的不同以及芯片研制和工艺的完善，不同批次的芯片差异也不相同，须要结合实际的芯片参数差异进行剖析。

下面向大家申报请示我们在封装材料绝缘特性方面的事情。
有机硅凝胶具有高绝缘高弹性及高热稳定性，适宜作为高压大功率碳化硅器件封装绝缘材料，起到对芯片表面钝化层的绝缘保护浸染。

为了研究硅凝胶的绝缘特性，我们在实验室搭建了封装用有机硅凝胶的制备平台，结合实验室的条件，改进了硅凝胶技能手册给出的制备流程，提出了硅凝胶制备的改进脱气方法，担保有机硅凝胶内部无杂质及气泡的影响，提升了有机硅凝胶的绝缘特性。

根据所提出的改进制备方法，比较手册给出的制备方法，高温下击穿电压可以提高12.9%。

结合现有器件利用的有机硅凝胶，我们制备了两种类型的硅凝胶型号，分别是瓦克118和Nusil2188，比拟剖析了两种材料的基本理化特性，特殊是高温下的特性。
结合热重测试结果可以看出，瓦克118的热分解温度是187度，Nusil2188的热分解温度是277度，两者比拟可以创造Nusil2188可以知足更高温度的运用需求。
此外，两种类型的硅凝胶都没有缺陷，均呈现高弹态，都适宜用于高压器件的绝缘封装。

由于电力电子器件承受的电压与常日电力装备承受的互换或直流电压不同，是一种重复性的方波电压，并且长期承受高温浸染。
因此封装绝缘材料的高温高频介电和导电特性，直接影响器件的电场特性。
为此我们丈量了瓦克118和Nusil2188这两种硅凝胶的宽频和宽温度范围内的介电特性。

个中由于瓦克118的温度范围比较低，以是测试的是10摄氏度到200摄氏度。
Nusil2188测试的是20摄氏度到280摄氏度。
然后建立了两种材料的宽频接连持续模型，得到了介电和导电特性。

温度和频率的变革规律为我们开展器件封装内部电场动态剖析供应了基本的物理参数。

结合有机硅凝胶高压运用的需求，我们依据IEC 60243标准，开展了不同温度下有机硅凝胶击穿体征特性的丈量，得到了不同温度下的体击穿电压和击穿场强。

图中是瓦克118硅凝胶在不同温度下击穿电压的测试结果，然后用软件打算得到了对应的击穿场强。
结果表明随着温度的升高，硅凝胶的耐压能力有所低落，击穿场强也有所降落。
这为高压器件在不同温度下的绝缘设计供应了根本的设计参数。

考虑到有机硅凝胶与芯片钝化层PI材料组成的复合绝缘构造的分界面，是器件内部绝缘的薄弱环节。

在实验室我们搭建了有机硅凝胶与PI材料沿面放电的实验平台，丈量了不同电压下沿面放电特性，得到了极不屈均电场下，硅凝胶与PI材料组成的复合绝缘构造，沿面局放起始场强的变革规律。
图中显示的是拍摄出来的放电照片。

考虑到芯片沿面放电，更靠近于棒板模型，开展了棒板构造的放电研究。
图中显示的是棒电极、有机硅凝胶与PI结合点处，涌现沿面放电起始后续逐渐发展为放电通道。
照片中像金属球一样的构造，便是放电时涌现的气泡。

由于器件在正常工况下承受的是重复的方波电压，器件内多介质复合绝缘构造中存在着电场的弛豫过程，也便是说电场是随着韶光呈现动态变革。
这一过程运用现有的商业软件是难以进行仿真打算得到的。

为此我们提出了多介质电场持续过程的打算方法。
在打算方法中我们引入了考虑持续过程的赤色模型，实现了重复方波电压下，器件多介质界面电场和界面电荷持续特性的准确打算。
图中给出了不同位置处，考虑弛豫过程之后的打算结果。

接下来环绕我们在承担国家科技部智能电网专项项目中提出的一种封装构造，解释我们在绝缘和电感打算时办理的干系问题。

我们参与了国家电网公司环球能源互联网研究院卖力的碳化硅大功率电力电子器件及运用根本理论研究项目。
详细参与了18千伏125安碳化硅IGBT封装设计方面的事情，这里展示了项目开展过程中提出的一种封装形式。

这种形式采取弹性压接方案，考虑到碳化硅芯片的良品率和本钱，初步采取分组封装的形式，也便是模块采取两个子模组并联，个中一个子模组是IGBT模块，另一个子模组是二极管模块。

对付高压器件的封装构造设计，除了前面先容的硅凝胶绝缘特性所面临的器件内部绝缘问题之外，还须要考虑高压器件管壳的外部绝缘。
参考干系标准，20千伏电气间隙哀求34毫米，结合已有的焊接和压接模块，在外绝缘的参数和裕度，我们考虑50%的裕度，设计哀求大于51毫米。
20千伏的情形下爬电间隔哀求是100毫米，考虑20%的裕度，设计哀求是120毫米。

那么基于电气间隙和爬电间隔的哀求，外壳材料采取不饱和聚酯玻璃纤维片状模压塑料（SMC），内部材料采取尼龙加阻燃剂注塑成型，然后再管壳设计成舒适性外壳，担保爬电间隔知足哀求。
这是我们外部绝缘的设计。

器件封装的电感也是必须考虑的一个主要参数。
我们在几年前研究硬压接器件时，创造对付长度与半径尺寸靠近的导体（也便是我们在形状上看起来是一种短粗型的导体），运用软件打算得到电感参数，与我们常日认为的准确的能量法打算得到的结果涌现了较大的偏差。
从图中表格可以看到质感的偏差靠近于50%，互感偏差都超过了80%。

经由剖析，我们创造其缘故原由就在于对付短粗型的导体，在它的端部两个表面上会积累大量的电荷。
而在软件打算中，没有考虑此情形。
因此我们对这种短粗型的导体改动了自感和互感的打算公式，提出了更准确的对付有限长导体的电感打算式。

基于这种方法我们打算了18千伏125安碳化硅器件的封装电感参数，得到了不同位置处的寄生电感。

末了对我们的事情做个大略的总结。

我们的团队基于长期积累的电磁和绝缘研究根本，环绕器件封装中的根本理论、平台开拓和实验测试，开展建模、丈量、打算与材料丈量认知方面的事情，以办理在封装中所碰着的电磁、温度、绝缘、机器压力平分歧方面的问题。

个中我们在高压大功率器件封装方面，参与了国家电网公司环球能源互联研究院在器件国产化方面的研究事情，环绕电力系统须要的3.3千伏及以上的硅基、碳化硅基MOSFET和IGBT开展研究事情。
近三年的科研项目包括国家自然科学基金的重点项目1项，面上项目2项，国家科技支撑操持课题和子课题5项，或者电网公司的项目10余项。

下面是我们针对电网需求培植的断路器工况实验平台，压接器件动态特性测试平台，器件绝缘特性测试平台。

末了再次感谢三代半同盟的约请和大家的聆听，敬请批评示正。

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