压接式IGBT模块的开关特性测试与分析

常 垚 ，周 宇 ，罗皓泽 ，2，李武华 ，何湘宁 ，张朝山

（1.浙江大学电气工程学院，杭州 310027；2.Department of Energy Technology,Aalborg University,Aalborg East 9220,Denmark；3.西安开天电力电子技术有限公司，西安 710077）

压接式IGBT模块的开关特性测试与分析

常 垚1，周 宇1，罗皓泽1，2，李武华1，何湘宁1，张朝山3

（1.浙江大学电气工程学院，杭州 310027；2.Department of Energy Technology,Aalborg University,Aalborg East 9220,Denmark；3.西安开天电力电子技术有限公司，西安 710077）

随着柔性直流输电技术朝着更高电压等级、更大系统容量方向的发展，作为其中关键设备的换流阀和混合式直流断路器对大容量IGBT器件的封装特性和电气性能提出了更高要求。与焊接式IGBT相比，压接式IGBT具有功率等级更高、开关速度更快、易于串联等优点，成为柔性直流输电的优选器件。为系统掌握压接式IGBT模块的应用特性，设计了基于双脉冲测试原理的压接式IGBT模块开关特性的测试平台。基于测试结果，分析了不同压接力、负载参数和结温条件对压接式IGBT模块开关特性的影响规律；并从器件封装特性和半导体物理层面、初步探讨了压接式IGBT模块开关特性的变化机理，为其在大功率电力变换领域的推广和应用提供参考。

压接式IGBT；双脉冲测试；开关特性

21世纪以来，随着能源短缺、环境污染等问题的日益突出，规模化清洁电能传输、电力供需广域平衡、大容量高效变流等新的技术需求相继涌现，催生了输电方式的变革[1]。以电压源换流器和绝缘栅双极型晶体管IGBT为基础的柔性直流输电技术，由于运行方式更灵活、可控性更好[2]，广泛地应用于可再生能源并网、孤岛供电、城市中心供电、大容量远距离电网互联等[3-4]，且朝着更高电压等级、更大系统容量方向不断发展[5]。

换流阀和混合型直流断路器作为柔性直流输电技术的关键设备，对大功率IGBT器件的封装特性和电气性能提出了更高要求[6]。在焊接式IGBT模块封装设计中，采用键合线实现内部芯片和外部电路的电气连接，使键合线成为焊接式IGBT模块中最为脆弱的部分[7]，限制了IGBT模块功率等级的提高并影响到IGBT模块的使用寿命[8]。压接式IGBT模块则采用类似晶闸管、IGCT的封装设计，无键合线的引入，具有热阻低、杂散参数小等特点，适用于功率等级高、开关速度更快的电力变换场合。压接式IGBT模块具有短路直通的失效模式，是功率模块串联应用的理想器件[9]，成为混合型直流断路器中的核心部件。

目前，ABB、Toshiba、Westcode 等跨国公司相继推出了压接式IGBT模块，国内外高校及研究机构对压接式IGBT模块进行了初步的测试和分析。文献[10]建立了Westcode的压接式IGBT模块内部芯片的电-热-机多物理场耦合模型，但主要探讨了芯片的静态热应力分布；文献[11]比较了焊接式和压接式IGBT的性能，证明了压接式IGBT模块具有广阔的应用前景；文献[12]中对Toshiba的压接式IEGT进行了工程设计，但对功率器件的动态性能研究还不够深入。为进一步掌握压接式IGBT的应用特性，仍需系统研究压接式IGBT模块在不同工况下的开关特性。本文以ABB公司的StakPak型压接式IGBT模块为研究对象，搭建了一套双脉冲测试平台，重点分析了压接力、负载参数、结温对压接式IGBT模块动态特性的影响规律，并从封装特性、半导体物理层面对模块开关特性的变化机理进行初步探讨。

1 压接式IGBT模块双脉冲测试平台

1.1 测试平台介绍

本文的研究对象为ABB公司的StakPak型IGBT模块，型号为5SNA 2000K451300，以该模块的电气参数和封装特点为基础，设计了如图1所示的压接式IGBT双脉冲测试电路。

双脉冲测试电路分为充放电电路和带感性负载的半桥电路。充放电电路的输入电源为单相0～250 V可调交流源，升压变压器变比为1:13。S1为充电继电器开关，S2为放电继电器开关，R1为阻值5 kΩ、功率500 W的充电限流电阻，R2为两个阻值5 kΩ、功率500 W的电阻串联而成的放电电阻。半桥电路的母线电容为15个1.3 kV/1.8 mF的薄膜电容以5串3并的形式构成，每个电容并联3个200 kΩ、功率5 W的电阻作为均压电阻。测试电路硬件参数则如表1所示。

图1 双脉冲测试电路Fig.1 Circuit of double-pulse test

表1 双脉冲测试电路硬件参数Tab.1 Parameters of double-pulse test platform

半桥测试电路中IGBT1的栅极短路，其反并联二极管用作续流二极管，IGBT2作为待测器件，其集-射间电压vCE由差分探头测量，其集电极电流iC则由同轴电阻测得。该同轴电阻型号为1M-2，带宽为200 MHz，线性度高。其最大焦耳数为125 J，其详细参数如表2所示。

表2 同轴电阻详细参数Tab.2 Parameters of coaxial resistor

IGBT1和IGBT2均与加热板依次间隔压接在一起，压接力的大小则由外部液压机控制。加热板对IGBT模块均匀加热并保持温度稳定，以改变测试结温。压接式IGBT双脉冲测试平台结构如图2所示。

图2 压接式IGBT测试平台Fig.2 Press-pack IGBT test platform

1.2 双脉冲测试原理

双脉冲测试电路的工作时序波形如图3所示。波形包括门极驱动电压vGE、负载电流iL、待测器件的集-射间电压vCE、集电极电流iC以及续流二极管电流iD。实验开始前，交流源通过升压变压器之后由二极管整流桥整流，经过充电限流电阻R1对母线电容充电，母线电压达到设定的测试电压V1后，断开S1。记该时刻为t0，此时待测器件IGBT2导通，母线电容经过负载电感Lload对IGBT2放电。由于母线电容很大，可假设母线电压不变，则集电极电流iC线性上升。经过时间ΔT1，iC到达设定的测试电流值 I1后，IGBT2关断。记该时刻为t1，得到 IGBT2的关断过程的电压、电流波形。t1时刻后，负载电感通过二极管D1续流，经过时间ΔT2，IGBT2再次开通。由于ΔT2很短，且负载电感很大，可假设IGBT2关断和开通两个时刻的电流I1与I2相等，记此刻为t2，得到IGBT2开通过程中的电压、电流波形。经过ΔT3到t3时刻，IGBT2再次关断，之后负载电感继续由二极管D1续流，直至负载电感电流降至为零，同时放电继电器S2闭合，母线电容通过R2放电，直至电压为 0，测试结束[13]。

图3 双脉冲测试信号时序Fig.3 Sequential signal of double-pulse test

1.3 典型工况下压接式IGBT模块的开关波形

在母线电压2 000 V、集电极电流1 000 A、压接力40 kN、结温25°C时，测得关断与开通时刻的关键波形，如图4所示，包括vGE、vCE、iC以及开关损耗功率Poff/Pon。

与图3中理想的关断、开通波形不同，在关断过程中，由于电路中存在杂散电感[14]，电压vCE存在关断过冲，过冲比例约为20%；在IGBT开通过程中，续流二极管的反向恢复电流叠加在集电极电流上，产生的电流过冲约为待测集电极电流的1.5倍。同时由于IGBT器件开关非理想过程，电压电流的波形有部分重叠，两者相乘产生开关功率损耗，若对其进行时间积分，则可算出开通或关断过程中IGBT损耗的能量。

图4 典型应用工况下压接式IGBT模块开关波形Fig.4 Switching waveforms in typical working condition

参考国际标准IEC 60747-9中对IGBT开关特性参数的定义，通过改变测试参数，提取相应的开关特征，以分析机械压接力、负载参数和结温对压接式IGBT开关特性的影响机理。

2 机械压接力对模块开关特性的影响

压接式IGBT模块在安装过程中需要施加机械压接力，以确保模块的正常使用[15-16]。待测模块对压接力的要求在60～75 kN之间，且要保证压接表面光滑平整，受力均匀。实际压接装置在较高的机械应力容易产生形变，从而使得模块受力不均。同时，受热胀冷缩的影响，在外部环境温度或模块内部结温改变时，压接装置的机械应力也随之改变，进而影响模块的受力。

为研究机械应力与模块开关特性的关系，在母线电压2 000 V、负载电流1 000 A的工况下，测试并分析机械压力对开关特性参数的影响。实验结果见表3。

从表3的数据可知，在温度、母线电压、负载电流均一定时，改变机械压力，压接式IGBT模块的开关特性参数变化很小，同一开关特性参数在不同的压接力作用下数值大小之间的差距均在5%以内。由StakPak型IGBT模块内部结构可知[17]，模块的集电极和发射极通过铜片制成的压接针形成电气连接，而压接针内部是承受压接力的碟形弹簧。因此，该型号的压接式IGBT模块的开关特性与模块所受机械压接力之间不存在明显的耦合关系。为保证待测IGBT模块满足基本使用要求，后续实验中模块承受压力均维持在50 kN。

表3 不同结温和不同机械压力下模块开关特性参数Tab.3 Switching parameters of press-pack IGBT module with variable mounting forces and temperatures

3 负载参数对模块开关特性的影响

本文所用驱动器的驱动电阻RG为1.8 Ω。在驱动参数固定的情况下，主要研究母线电压和负载电流的变化对模块开关特性的影响。

图5为结温25°C、母线电压2 500 V时负载电流（1 kA、1.5 kA、2 kA）变化对开关特性参数的影响。由图5可知，关断电压峰值、开通/关断时间、开通/关断电流变化率均与电流呈正相关变化。这是由于当工作电压和结温一定时，集电极电流决定了正向导通时漂移区积累的少子数量，当集电极电流越大，积累的少子数量越多，使得开通和关断时间均延长。而集电极电流的增加亦会使得载流子抽取区的电流密度增加[18]，使开通和关断电流变化率变大。在关断电流变化率增大而环路寄生电感不变的情况下，模块所承受的关断电压峰值也相应提高。

图6为结温25°C、负载电流1 000 A时变化的母线电压（1 kV、1.5 kV、2 kV）对开关特性参数的影响。与图5中情况不同的是，随着母线电压上升，并非所有的开关特性参数都随之增加，其中开通时间随之减小。从半导体物理层面分析，当母线电压上升时，载流子抽取区边沿的载流子浓度变高[18]，这使得开通时刻电流变化率加大，反向恢复时刻开通电流峰值也相应提高，但也加快了抽取载流子的速度，使得开通时间变小。

4 结温对模块开关特性的影响

在IGBT模块实际应用工况中，由于芯片内部高频通断切换的自热效应以及外部环境的变化，IGBT模块的结温处于不断变化中。IGBT模块的工作本质是载流子的输运，与载流子迁移率和寿命密切相关，而结温对载流子迁移率及寿命有着直接影响。因此，为分析模块开关特性与结温的关系，测试不同温度 Tvj（25°C、50°C、75°C、100°C、125°C）下压接式IGBT模块的开关特性参数，结果分别如图7、图8所示。

从图 7（a）、（b）和图 8（a）、（b）可知，当负载参数一定时，随着结温的上升，关断损耗Eoff、开通损耗Eon也在增大，而开关损耗的增大会进一步促进结温上升，形成热效应的正反馈。这表明随着结温上升，模块的运行轨迹越来越接近甚至有可能超过其安全工作区 SOA（safe operating area）。

图5 结温25℃、母线电压2 500 V时不同负载电流下压接式IGBT模块开关特性参数对比Fig.5 Switching parameters of press-pack IGBT module with variable load current at 25℃/2 500 V

图6 结温25℃、负载电流1 000 A时不同母线电压下压接式IGBT开关特性参数对比Fig.6 Switching parameters of press-pack IGBT module with variable bus voltage at 25℃/1 000 A

从图 7（c）及图 8（c）可知，随着结温的上升，由于IGBT的密勒电容Cgc和密勒平台电压ugp受到结温变化的影响，模块关断延迟时间增大，关断延迟时间tdoff和两者关系[19]表示为

结温的变化主要影响密勒电容Cgc、密勒平台电压ugp和导通电压uon，由于母线电压udc远大于导通电压uon，因此，结温对导通电压的影响可以忽略。当结温上升时，密勒电容Cgc增加，密勒平台电压ugp降低，这两者的变化均使得关断延迟时间tdoff增加。因此在负载参数一定时，关断延迟时间与结温呈现正相关。

图7 母线电压2 500 V时压接式IGBT开关特性参数对比Fig.7 Switching parameters of press-pack IGBT module in 2 500 V

图8 负载电流1 000 A时压接式IGBT开关特性参数对比Fig.8 Switching parameters of press-pack IGBT module in 1 000 A

从图7（d）及图8（d）可知模块关断时刻电流最大变化率随结温增加而减小。当模块结温升高，器件内部载流子扩散系数会有所降低，使得关断初始时刻的电流变化率变缓，而关断初始时刻的电流变化率即为关断时刻电流最大变化率。因此，模块关断电流最大变化率随结温增加而下降。

从图 7（e）及图 8（e）中可得出开通时刻电流最大变化率与结温呈负相关。开通时刻电流最大变化率为反向恢复电流最大变化率。当结温升高时，载流子寿命增加，反向恢复存储电荷变多，反向恢复软度增大，造成反向恢复时刻电流变化率降低[20]。因此，模块开通时刻电流最大变化率随结温增加而减小。

5 结语

本文以ABB公司的StakPak型压接式IGBT模块为研究对象，设计并搭建了基于双脉冲原理的开关特性测试平台。在此平台的基础上，对压接式IGBT模块的开关特性进行测试，着重分析了机械压接力、负载参数、结温对压接式IGBT模块开关特性的影响。研究表明，StakPak型压接式IGBT模块的特殊封装设计，使机械压接力与模块开关特性之间不存在直接的耦合关系；同时也得到了负载参数和结温对模块开关特性以及安全运行条件的影响规律，并从半导体器件物理层面分析模块的开关特性变化机制。本文研究对未来压接式IGBT模块在柔性直流输电技术中的更高效、更安全的应用提供了参考。

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常垚

常垚（1992-），男，通信作者，博士研究生，研究方向:大功率IGBT测试与可靠性分析，E-mail：cy_pe@zju.edu.cn。

周宇（1994-），男，博士研究生，研究方向:大功率IGBT测试与寿命预测，E-mail：yzhou16@zju.edu.cn。

罗皓泽（1986-），男，博士研究生，研究方向：大容量电力电子器件的可靠性，E-mail：luohaoze@163.com。

李武华（1979-），男，中国电源学会高级会员，博士，教授，研究方向:大功率变流技术，E-mail：woohualee@zju.edu.cn。

何湘宁（1961-），男，中国电源学会高级会员，博士，教授，IEE Fellow，IEEE Fellow，研究方向:电力电子技术及其工业应用，E-mail：hxn@zju.edu.cn。

张朝山（1982-），男，硕士，研究方向：大功率IGBT器件测试与可靠性分析，E-mail：zcs559@163.com。

Test and Analysis of Switching Performance for Press-pack IGBT Modules

CHANG Yao1,ZHOU Yu1,LUO Haoze1,2,LI Wuhua1,HE Xiangning1,ZHANG Chaoshan3
（1.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2.Department of Energy Technology,Aalborg University,Aalborg East 9220,Denmark;3.Xi’an Kaitian Power Electronics Technical Co.Ltd.Xi’an 710077,China）

With the development of voltage source converter based high voltage direct current（VSC-HVDC）technology to higher voltage rating and higher power capacity,the converter valve and hybrid direct current breaker,which are the core components of VSC-HVDC,have put forwards higher demands on IGBT package feature and electrical performance.Compared with the solder plastic IGBT modules,the press-pack IGBT modules,are becoming preferred in the field of VSC-HVDC which feature higher power rating,faster switching speed and are more easily to be connected in series.In this paper,a test platform of switching performance for press-pack IGBT modules is designed and implemented to employ the principle of double pulse test.The effects of the external mechanical mounting force,bus voltage,load current and junction temperature on switching performance are analyzed in detail,and the variation mechanism of switching performance for press-pack IGBT is discussed preliminarily from the view of module’s package feature and semiconductor knowledge.

press-pack IGBT;double-pulse test;switching performance

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.179

TM46

A

2016-10-07；

2017-02-27

国家自然科学基金资助项目（51490682,51677166）

Project Supported by National Natural Science Foundations of China（51490682,51677166）