- 頭條華北電力大學科研人員提出并聯IGBT芯片穩態結溫的均衡方法2022-11-08 作者：范迦羽、鄭飛麟 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為實現并聯IGBT芯片的穩態結溫的均衡調控，并改善瞬態電熱仿真方法計算速度慢的問題，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、先進輸電技術國家重點實驗室（全球能源互聯網研究院有限公司）的研究人員范迦羽、鄭飛麟、王耀華、李學寶、崔翔，在2022年第12期《電工技術學報》上撰文，研究了計及熱阻與發射極寄生電感匹配的并聯IGBT芯片穩態結溫均衡的調控方法。
為滿足高壓柔性裝備的功率需求，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）芯片常被大規模并聯使用。而芯片并聯回路寄生電感、熱阻等封裝參數的差異，會引起并聯芯片的穩態結溫分布不均。若器件長期工作在此環境下，不僅會影響封裝材料的使用壽命和絕緣材料的絕緣性能，也會加速芯片的老化。
工程中往往采用降額運行的方法，以減小并聯芯片穩態結溫不均對柔性裝備的危害，導致器件性能沒有得到充分發揮。因此，并聯IGBT芯片的穩態結溫分布不均，已經成為了高壓柔性裝備功率密度和可靠性提升亟待解決的關鍵問題。
目前，國內外學者針對器件內部并聯芯片的穩態結溫開展了大量理論和實驗工作。2020年，華北電力大學的Zhang Yiming等提出了時序電參數法，研究了壓接型IGBT器件內部芯片的穩態的結溫分布。研究表明，在低頻換相時，影響器件內部穩態結溫分布的主要因素是芯片通態管壓降和各芯片散熱支路的熱阻。
與低頻工況不同，當IGBT器件工作在中高頻工況時，隨著器件工作頻率的升高，影響并聯IGBT芯片換相損耗的關鍵參數變為芯片各支路的發射極寄生電感和封裝熱阻。在實際換相運行中，器件的發射極寄生電感和封裝熱阻共同決定了并聯IGBT芯片的穩態結溫分布。
但由于并聯IGBT芯片復雜的損耗特性，且受限于測量手段，大部分學者通常采用仿真的方法研究中高頻工況下并聯IGBT芯片的穩態結溫分布問題，電熱耦合模型被廣泛地應用于IGBT器件的換相過程分析。但是，器件的換相過程在微秒時間尺度，而器件的熱時間常數則為幾秒甚至十幾秒。器件熱時間常數隨其功率等級的不斷增加，瞬態電熱模型存在效率低、計算速度慢的問題，浪費了大量計算資源。
此外，在中高頻工況下，并聯芯片結溫分布不均帶來的危害也更大。一方面，并聯芯片電流分配不均會危害到器件的安全工作區，導致器件的過電流失效；另一方面，電流不均引起的損耗差異，會導致并聯芯片的穩態結溫不同，限制器件的最大工作電流，從而降低器件的功率密度與短路電流承受能力。所以，在器件封裝設計時應權衡考慮并聯器件的電流均衡和溫度均衡問題。
為實現并聯IGBT芯片的穩態結溫的均衡調控，并改善瞬態電熱仿真方法計算速度慢的問題，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、先進輸電技術國家重點實驗室（全球能源互聯網研究院有限公司）的研究人員范迦羽、鄭飛麟、王耀華、李學寶、崔翔，在2022年第12期《電工技術學報》上撰文，研究了計及熱阻與發射極寄生電感匹配的并聯IGBT芯片穩態結溫均衡的調控方法。
圖1 并聯IGBT芯片的等效熱阻網絡
在本課題中研究人員建立了并聯IGBT芯片的電熱模型，研究了并聯芯片結溫、發射極寄生電感與并聯芯片動態損耗的關系。提出并聯芯片的動態損耗擬合公式，公式計算結果與模型結果的誤差小于3%，具有很好的有效性。
他們還發現了了IGBT芯片的封裝熱阻、發射極寄生電感對并聯芯片穩態結溫的影響規律。結果表明，發射極寄生電感對并聯芯片間的最高穩態結溫影響較小，但當并聯芯片封裝熱阻不同時，發射極寄生電感引起的動態不均流會惡化并聯芯片的穩態結溫分布，導致并聯芯片間的最高結溫大幅增加，進而限制并聯芯片的安全工作區。
此外，科研人員指出，本次研究中提出的并聯IGBT芯片穩態結溫均衡方法，可根據不同結溫下并聯IGBT芯片的動態損耗，通過聯立方程組得到匹配的熱阻和電感參數，實現了并聯芯片穩態結溫均衡。由于所提方法不考慮芯片升溫過程及熱容參數的影響，從而避免了復雜的IGBT瞬態電熱耦合計算。
本文編自2022年第12期《電工技術學報》，論文標題為“計及熱阻與發射極電感匹配的并聯IGBT芯片穩態結溫均衡方法”。本課題得到了國家自然科學基金委員會-國家電網公司智能電網聯合基金的支持。
