張?zhí)m濤，熊俊，牛小南，黃小羽

（國(guó)網(wǎng)北京電力公司電纜分公司，北京 100020）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）是一種全控型開(kāi)關(guān)器件，具有耐壓性能好、開(kāi)關(guān)頻率高、易于驅(qū)動(dòng)控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已成為各類(lèi)電力電子裝置中的核心部件[1]。為提高電力電子裝置的功率密度，現(xiàn)代生產(chǎn)的大功率IGBT模塊大多采用多芯片、多子模塊并聯(lián)的封裝工藝。由于芯片或模塊內(nèi)部寄生參數(shù)的分散性等原因，導(dǎo)致模塊不同功率端口的輸出電流存在不一致性。電流分配不均會(huì)導(dǎo)致IGBT模塊并聯(lián)芯片功率損耗的不一致，尤其在短路等極端運(yùn)行條件下，芯片之間的結(jié)溫差異也更加明顯。不均流問(wèn)題嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電流過(guò)大的IGBT溫度超標(biāo)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生災(zāi)難性危害[2]。因此，將器件的功率端口不均流現(xiàn)象和由此產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)結(jié)溫變化進(jìn)行綜合分析，對(duì)器件和電力電子裝置的運(yùn)行可靠性都具有重要意義。

短路是IGBT器件的一種典型工況，短路發(fā)生時(shí)IGBT將同時(shí)承受高壓和大電流，瞬時(shí)的高功率損耗將導(dǎo)致結(jié)溫迅速升高。當(dāng)進(jìn)一步考慮并聯(lián)端口不均流問(wèn)題時(shí)，部分芯片發(fā)生瞬時(shí)熱失效的“短板效應(yīng)”也將被進(jìn)一步放大。由于短路持續(xù)時(shí)間為μs級(jí)，針對(duì)此條件下的結(jié)溫測(cè)量依舊是行業(yè)內(nèi)尚未完全解決的一個(gè)難點(diǎn)，目前普遍采用仿真模擬的方法[3]。同時(shí)，現(xiàn)有研究鮮有將芯片不均流和短路極端工況下的結(jié)溫問(wèn)題相結(jié)合。文獻(xiàn)[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了IGBT模塊的功率損耗，并采用內(nèi)熱源平均化的方式得到了單一芯片的損耗，進(jìn)而通過(guò)有限元法（finite element method，F(xiàn)EM）模擬了IGBT在短路下的溫度特性；文獻(xiàn)[5]同樣采用了將內(nèi)熱源平均化的處理方法，并將研究對(duì)象進(jìn)一步擴(kuò)展到了全部的并聯(lián)IGBT芯片上，但這些處理方法忽略了模塊內(nèi)部客觀存在的不均流現(xiàn)象；文獻(xiàn)[6-7]基于Icepak和PSpice構(gòu)建了IGBT的電熱模型，能夠?qū)紤]溫度反饋下的芯片短路電熱特性進(jìn)行更為精確的模擬，但其研究對(duì)象為單個(gè)IGBT芯片，因此也未能綜合考慮模塊內(nèi)部的不均流問(wèn)題。

基于現(xiàn)有研究存在的不足，本文以大功率IGBT模塊并聯(lián)功率端口的均流特性為切入點(diǎn)，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量與仿真模擬相結(jié)合的方法，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)英飛凌3 300 V/1 500 A模塊的并聯(lián)端口電氣特性進(jìn)行研究，然后根據(jù)模塊的實(shí)際結(jié)構(gòu)，構(gòu)建全尺寸下的有限元熱仿真模型，最后分析短路條件下并聯(lián)端口不均流對(duì)IGBT瞬態(tài)溫度特性的影響。

1 IGBT模塊均流特性概述

本文以英飛凌生產(chǎn)的某型3 300 V/1 500 A大功率IGBT模塊為研究對(duì)象，其實(shí)物圖與內(nèi)部電路如圖1所示。

圖1 英飛凌3 300 V/1 500 A IGBT模塊及其內(nèi)部電路Fig.1 Infineon 3 300 V/1 500 A IGBT module and the internal circuit

為提高器件的通流能力，該型模塊內(nèi)部總共集成了24只并聯(lián)的IGBT芯片。如圖2所示，每4只IGBT芯片及其反并聯(lián)二極管（Diode）芯片被集成在一個(gè)陶瓷襯底上，構(gòu)成了并聯(lián)子模塊。每?jī)蓚€(gè)子模塊進(jìn)一步并聯(lián)組成為IGBT模塊的功率變換子單元，在模塊外部即表現(xiàn)為圖1a所示的3個(gè)功率端口的并聯(lián)。

圖2 待測(cè)IGBT模塊內(nèi)部的芯片布局Fig.2 Internal structure of IGBT module under tested

根據(jù)圖1a可知，該型3 300 V/1 500 A模塊可以看作是由一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元控制的三個(gè)并聯(lián)的IGBT，在忽略內(nèi)部不均流問(wèn)題的理想條件下，每組功率端口將承擔(dān)500 A的額定電流。然而，由于芯片數(shù)量較多，子模塊功率回路中雜散參數(shù)的差異也不可避免，這是導(dǎo)致IGBT模塊并聯(lián)端口之間出現(xiàn)不均流現(xiàn)象的主要原因之一[8]。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT模塊與層疊母排共同構(gòu)成換流回路，母排的結(jié)構(gòu)往往難以保證絕對(duì)的對(duì)稱(chēng)，這也將進(jìn)一步影響不同IGBT模塊之間的均流特性[9]。

2 IGBT并聯(lián)端口短路均流測(cè)試

IGBT的短路工況可分為Ⅰ類(lèi)短路和Ⅱ類(lèi)短路。前者為IGBT導(dǎo)通時(shí)便直接進(jìn)入短路狀態(tài)；后者為IGBT首先從阻斷狀態(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，然后進(jìn)入短路狀態(tài)。兩種短路的共同點(diǎn)是IGBT會(huì)出現(xiàn)退飽和現(xiàn)象，其標(biāo)志是模塊的集-射極壓降迅速上升至直流母線電壓[10]。其中，Ⅰ類(lèi)短路特性與IGBT器件自身的性能緊密相關(guān)，本文的測(cè)試也是在典型Ⅰ類(lèi)短路工況下進(jìn)行的，測(cè)試的原理如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理Fig.3 Principle of experimental test

圖 3中，LT表示測(cè)試電路的雜散電感；T1，T2，T3分別代表被測(cè)器件（device under test，DUT）三個(gè)并聯(lián)端口的功率變換子單元；L1，L2，L3分別代表并聯(lián)端口內(nèi)部的集總寄生電感。設(shè)置直流母線電壓UDC為1 800 V，短路時(shí)間為10 μs，采用三組羅氏線圈對(duì)DUT并聯(lián)功率端口的短路電流IC1，IC2，IC3進(jìn)行同時(shí)采集，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 短路條件下并聯(lián)端口均流特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.4 Experimental results of current sharing characteristics of parallel ports under short circuit condition

由測(cè)試結(jié)果可知，由于端口支路間的寄生電感不一致，三個(gè)功率端口的短路電流也存在明顯差異，其中端口T1和T3的短路電流峰值相差可達(dá)1 500 A。在短路條件下，由于IGBT模塊承擔(dān)全部直流母線電壓，此時(shí)不同端口內(nèi)部IGBT芯片的功率損耗也將產(chǎn)生明顯區(qū)別，從而進(jìn)一步加劇高損耗芯片的結(jié)溫。

傳統(tǒng)的短路研究普遍忽略了模塊內(nèi)部的不均流問(wèn)題，在進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)時(shí)也較多粗略地認(rèn)為每個(gè)功率端口的導(dǎo)通電流為集電極總電流的三分之一。如果繼續(xù)按照這種思路進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)保護(hù)，當(dāng)器件遭遇短路這類(lèi)極端運(yùn)行條件時(shí)，由于電流分布不均，模塊內(nèi)部的高損耗芯片可能會(huì)由于瞬時(shí)電流過(guò)大而發(fā)生瞬時(shí)熱失效，進(jìn)而導(dǎo)致模塊熱失效的連鎖效應(yīng)。

受測(cè)量手段的限制，目前尚無(wú)法直接對(duì)μs級(jí)短路條件下的結(jié)溫進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。下面通過(guò)FEM仿真的方法對(duì)IGBT模塊功率端口不均流下的動(dòng)態(tài)溫度分布問(wèn)題進(jìn)行分析。

3 短路下的瞬態(tài)熱仿真分析

IGBT的溫度特性存在明顯的時(shí)空分布特性，其溫度分布也是自熱效應(yīng)和熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果，因此對(duì)IGBT瞬態(tài)熱問(wèn)題的分析應(yīng)同時(shí)從時(shí)間和空間兩方面進(jìn)行考慮。對(duì)上述研究的短路工況而言，由于電流持續(xù)時(shí)間為10 μs，該時(shí)間尺度尚未超過(guò)芯片層的熱時(shí)間常數(shù)[11]，此時(shí)芯片溫升由芯片自熱效應(yīng)引起，導(dǎo)致并聯(lián)端口內(nèi)部芯片結(jié)溫升高的能量ESC如下式所示：

式中：i為三個(gè)并聯(lián)端口，分別為1，2，3；tw為短路持續(xù)時(shí)間；IC_i為并聯(lián)端口的短路電流；UCE為各并聯(lián)端口的集-射極壓降。

隨著時(shí)間尺度的增大，需要進(jìn)一步考慮熱傳導(dǎo)的作用。對(duì)IGBT模塊而言，其動(dòng)態(tài)傳熱特性可用三維非穩(wěn)態(tài)傳熱偏微分方程進(jìn)行描述：

式中：ρ為材料密度；cp為比熱容；T為溫度；λ為材料熱導(dǎo)率；q為單位時(shí)間內(nèi)單位體積中內(nèi)熱源的生成熱，該參數(shù)由圖4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。

為了精確求解各端口內(nèi)部IGBT芯片在短路條件下的動(dòng)態(tài)傳熱問(wèn)題，首先根據(jù)待測(cè)模塊的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在三維建模軟件中構(gòu)建了精準(zhǔn)的三維幾何模型，并進(jìn)一步在FEM仿真平臺(tái)下構(gòu)建了熱仿真模型。為提高模型精度，在材料屬性定義時(shí)考慮了硅芯片的溫度敏感性[12]，同時(shí)對(duì)芯片的有源區(qū)進(jìn)行了細(xì)分。

瞬態(tài)熱仿真采用的基本設(shè)置為：1）模塊基板底面設(shè)置為恒溫（室溫22.5℃），其他表面設(shè)置為絕熱；2）設(shè)置芯片有源區(qū)為熱源，根據(jù)圖4的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可得到三個(gè)并聯(lián)端口在短路下的功率損耗，如圖5所示。3）仿真總時(shí)間設(shè)置為1 ms。

圖5 短路條件下的并聯(lián)端口功率損耗Fig.5 Power loss of parallel ports under short circuit

在仿真時(shí)將得到的損耗參數(shù)平均加載到各端口對(duì)應(yīng)的IGBT芯片有源區(qū)上。此處需要說(shuō)明的是，由于本文的研究重點(diǎn)為IGBT模塊并聯(lián)端口之間的不均流，因此，并未進(jìn)一步考慮單個(gè)并聯(lián)子單元內(nèi)部的芯片均流問(wèn)題。為提高仿真效率，采用了變步長(zhǎng)的仿真計(jì)算策略，其中前10 μs的短路持續(xù)時(shí)間采用0.2 μs的小步長(zhǎng)計(jì)算，后續(xù)的時(shí)間則采用自由變步長(zhǎng)計(jì)算。圖6給出了短路結(jié)束時(shí)刻IGBT模塊的溫度分布云圖。

圖6 短路結(jié)束時(shí)刻IGBT模塊的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of IGBT module at the end of short circuit

由仿真結(jié)果可知，短路結(jié)束時(shí)刻三個(gè)并聯(lián)端口內(nèi)部的芯片溫度已經(jīng)產(chǎn)生了明顯差異，同時(shí)單只芯片自身也存在溫度分布不均衡的特點(diǎn)。圖中標(biāo)注的是三組芯片表面某點(diǎn)的溫度，分別為91.2℃，78.4℃，75.1℃。整體來(lái)看，端口T1內(nèi)的芯片結(jié)溫最高，T2次之，T3內(nèi)的芯片結(jié)溫則最低。由前述的分析可知，短路時(shí)間內(nèi)的溫升主要由功率損耗下的芯片自熱決定，仿真中所示的趨勢(shì)與圖4、圖5的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致。

為進(jìn)一步分析更長(zhǎng)時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)傳熱特性，分別提取了每個(gè)并聯(lián)端口內(nèi)部所有芯片的平均溫度，繪制的溫升曲線如圖7所示。可見(jiàn)，三個(gè)并聯(lián)端口內(nèi)部芯片的結(jié)溫變化規(guī)律是類(lèi)似的。在10 μs的短路時(shí)間內(nèi)，芯片溫度在功率損耗作用下迅速升高。由于端口不均流的影響，端口T1和T3內(nèi)部芯片的平均結(jié)溫差可達(dá)11℃。

圖7 并聯(lián)端口內(nèi)部芯片的平均結(jié)溫變化曲線Fig.7 Average junction temperature of chips in parallel ports

需要注意的是，由于采樣位置為芯片表面，隨著時(shí)間常數(shù)的增大，熱傳導(dǎo)逐漸開(kāi)始作用，因此在短路結(jié)束后（10～100 μs）各組芯片的溫度仍然出現(xiàn)了些許升高。而當(dāng)時(shí)間常數(shù)增大到毫秒級(jí)時(shí)，熱傳導(dǎo)的作用逐漸明顯，此時(shí)芯片溫度均表現(xiàn)為下降?？梢?jiàn)仿真結(jié)果能夠?qū)Χ搪窏l件下IGBT模塊端口不均流引起的結(jié)溫動(dòng)態(tài)時(shí)空變化特性進(jìn)行有效地定量表征。

4 結(jié)論

針對(duì)英飛凌3 300 V/1 500 A大功率IGBT模塊，本文對(duì)并聯(lián)功率端口在短路條件下的電氣特性和溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究。研究結(jié)果顯示，短路條件下并聯(lián)功率端口的電流差異可達(dá)1 500 A，其導(dǎo)致IGBT平均結(jié)溫相差11℃左右，這在一定程度上可以對(duì)IGBT模塊經(jīng)常由于單只芯片發(fā)生熱擊穿而失效的原因進(jìn)行解釋。本文采用的研究方法具有通用性，同樣適用于其他電力電子器件。在將來(lái)的研究工作中，可以進(jìn)一步開(kāi)展針對(duì)器件內(nèi)部寄生參數(shù)的精細(xì)化測(cè)量，并構(gòu)建寄生參數(shù)與芯片電氣特性、溫度特性的定量關(guān)系，從而為大功率IGBT器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其在極端運(yùn)行條件下的可靠性分析提供指導(dǎo)。