大容量高性能IGBT模块分析模型及封装关键技术研究

High capacity power device is the key component for the high capacity power electronic system, such as the renewable energy power system, smart grid system and rail transit power system. When the high power system is operating at the rated condition, the electrical, magnetic and thermal problem became the key issue to limit the widely using of high power IGBT module. The IGBT module electricity and magnetism dynamic model is the basis to analyze how to limit the voltage stress and electromagnetic interference. In order to increase the reliability and decrease the maintenance downtime cost, the following research is needed to carry out. Firstly, this project will carry out the research of multi-field analysis model for IGBT module. Secondly, this project will study the layout deducing method and electro-thermal characteristic optimization technique to make the IGBT module which have the characteristic of low chip voltage stress, low loss and equalized thermal distribution, thus increase the reliability for IGBT module. Thirdly, In order to decrease maintenance downtime cost, the high capacity IGBT module failure prediction is studied based on the module equivalent circuit parameters. Finally, a 1200V/600A T-type three level IGBT module is made for the high power and high efficiency application to verify the proposed theories and control method. The results of high power IGBT module are expected to provide theoretical support for the engineering design.

大容量电力电子器件是可再生能源发电系统、智能电网、轨道交通等所有大容量电力电子系统中的关键元件，其大容量额定运行时的电磁热可靠性问题是限制其发展和应用的关键问题。大容量IGBT模块内部结构的电磁动态模型是分析如何抑制功率模块电压应力和磁场干扰的基础，因此本项目首先开展大容量IGBT模块电磁热多场分析模型的建模研究，在此基础上，探索大容量IGBT模块的布局演绎方法和电磁热特性优化设计技术，目的是使大容量IGBT模块在额定运行时具有芯片低电压应力，低损耗，热均匀分布，从而提高IGBT模块的电磁热可靠性。然后基于IGBT模块内部等效电路参数探索大容量IGBT模块的失效预测方法，降低停机维护成本。针对大容量高效率的应用场合，研制1200V/600A的T型三电平IGBT功率模块，验证本项目提出的理论和方法。预期成果可为大容量IGBT功率模块的工程化实践提供理论指导。

随着我国新能源、智能电网、绿色交通的发展，对IGBT的需求持续增长。本项目针对大容量IGBT模块的封装关键技术开展研究，建立了IGBT功率模块的精确电路模型，分析了IGBT功率模块内寄生参数对模块损耗的影响；给出了功率模块内多芯片并联的均流特性；仿真分析了给定功率模块结构内部的电场和磁场分布；提出了一种简便的热评估方法，能够分析不同的模块布局在确定工作条件下的各芯片结温，加快IGBT功率模块的热设计。探讨了适用于平面型布局功率模块的布局演绎方法，该方法首先确定T型三电平IGBT功率模块工作时对应的换流回路；然后按照功率模块的主芯片连接的原理图进行布局；接着考虑箝位管共C极拓扑进行布局的筛选；最后按照功率模块换流回路的面积大小和均流需求进行布局筛选。针对T型三电平IGBT模块的工作运行特点，提出中间箝位管换流回路优先的布局方法。分析了功率模块内部关键换流路径寄生电感与布局几何尺寸间的关系，并研究了一种功率模块布局寄生电感评估方法，可以便捷地对不同模块布局的寄生电感进行比较，从而缩短设计周期。利用提出的简化评估方法进行了案例分析，验证了功率模块布局方法的有效性。提出了用于避免大容量IGBT功率模块短路失效的自适应屏蔽检测保护方法。该方法通过附加一个简易的具有自适应功能的屏蔽电路，比较开通时刻的集电极发射极电压与退饱和参考电压之间的关系，来获得何时取消对驱动电路短路保护检测的屏蔽。并且通过附加一个固定延迟时间电路来防止开通时刻出现的短路问题，防止失效的误判，同时由于自适应屏蔽检测保护方法可以采用较小的电容参数，加快了短路保护的速度。研制了一种1200V/300A的T型三电平IGBT功率模块。给出了模型的静态特性和损耗特性测试曲线。并在100kW的逆变装置上进行了应用实验验证。