关键词：
压接型IGBT器件
失效短路
失效演化
耐受能力
靶向优化
摘要：
相比于焊接型绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)器件,压接型IGBT器件具有低热阻、双面散热、失效短路等优势,更适用于柔性直流输电装备应用工况,是柔性直流输电技术发展迫切需要的基础核心器件。一方面,应用于柔性直流输电装备的压接型IGBT器件需承载偶发短路电流冲击恶劣工况,精准测评并有效提升器件失效短路耐受能力是柔性直流输电系统安全工作区刻画及可靠性优化的迫切需求。另一方面,即便偶发短路电流冲击恶劣工况超过器件承载能力,器件维持稳定的失效短路模式是柔性直流输电装备安全稳定运行的重要保障。然而,受失效短路瞬时发生和失效演化跨越多时空尺度影响,器件失效短路过程难以准确跟踪,基于单一尺度研究方法难以充分表征失效演化行为。同时,器件失效短路耐受能力受封装影响明显,现有基于芯片层面的评估方法难以准确刻画压接封装器件失效短路耐受能力,现有聚焦改进器件长期可靠性薄弱部位的封装优化结构对失效短路耐受能力提升有限。因此,亟需开展压接型IGBT器件失效短路演化机制及耐受能力研究。论文以国产压接型IGBT器件为研究对象,以器件瞬态仿真建模-失效短路机制及演化行为-失效短路耐受能力测评及提升为主线,分别开展多层级协同建模、失效演化行为模拟、失效短路耐受能力测评与提升4个方面研究。论文主要内容包括:(1)针对压接型IGBT器件失效短路过程涉及模块-芯片瞬态耦合作用,基于现有单一模块或芯片层级稳态仿真模型难以刻画失效边界的问题,提出器件-元胞多层级协同瞬态仿真模型,实现器件失效薄弱部位及失效边界条件准确获取。首先,研制模拟真实封装环境的压接型IGBT器件短路冲击实验平台,获取器件失效短路过程特征参量变化规律。其次,基于压接型IGBT器件内部电-热-力多物理场耦合机制和国产3300 V/50 A器件实际封装与元胞结构,建立器件-元胞多层级协同瞬态仿真模型。最后,基于所建模型反演失效短路过程器件内部电-热-力分布变化规律,确定器件失效薄弱部位及失效边界条件。(2)针对器件失效演化涉及多时间尺度与多空间维度进而导致演化过程不明的问题,提出基于铝硅互融的芯片局部短路通道形成及失效演化行为模拟方法,实现压接型IGBT器件失效演化行为准确获取。首先,提出材料尺度时变电导率铝硅短路通道演化模型,结合器件特征参量变化规律,获取局部短路通道形成过程热-力分布演化规律。其次,提出基于短路通道长度控制的子模块失效演化模型,结合子模块失效短路稳定性实验结果,获取子模块尺度短路通道演化行为。最后,提出控制子模块厚度模拟压力分布不均的等效实验方法,确定多芯片器件失效薄弱部位,提出基于失效子模块数量控制的多芯片器件失效演化模型,结合多芯片器件失效短路稳定性实验结果,获取多芯片器件尺度短路通道演化行为。(3)针对现有基于芯片层面的失效短路耐受能力评估方法缺乏考虑压接封装器件内部不均分布的热-机复合应力作用影响,进而导致对压接封装器件安全工作区刻画不准确的问题,提出考虑压力温度多因素影响的器件失效短路耐受能力测评方法,实现压接型IGBT器件失效短路耐受能力准确评估。首先,获取不同压力下短路冲击实验中器件特征参量变化规律,基于所建瞬态仿真模型反演不同压力下器件失效短路过程,提出压力对器件失效短路耐受能力影响机制。其次,获取不同温度下短路冲击实验中器件特征参量变化规律,基于所建瞬态仿真模型反演不同温度下器件失效短路过程,提出温度对器件失效短路耐受能力影响机制。最后,累积压力和温度对器件失效短路耐受能力影响因素,提出考虑压力温度多因素影响的器件失效短路耐受能力评估方法,基于并联单芯片器件模拟热力分布不均的等效短路冲击实验,验证所提评估方法准确性。(4)针对现有封装优化结构聚焦改进器件长期可靠性薄弱部位而对失效短路耐受能力提升有限的问题,提出压接型IGBT器件失效短路耐受能力靶向优化封装结构,实现器件失效短路耐受能力提升。首先,建立现有封装优化结构器件瞬态仿真模型,研究结构设计和作用部位对器件失效短路耐受能力影响。其次,聚焦器件失效短路耐受能力提升靶点,提出考虑绝缘结构设计的电场仿真模型,分析优化材料对器件内部电场分布影响,建立针对不同靶点的封装优化结构器件瞬态仿真模型,研究靶点选择和涂层厚度对器件失效短路耐受能力提升效果,形成最佳靶向优化封装结构设计方案。最后,研制压接型IGBT器件长期可靠性实验平台,对采用所提封装结构器件进行耐压、短路冲击、功率循环等可靠性实验,验证失效短路耐受能力提升效果及封装结构可靠性。研究成果为压接型IGBT器件失效短路模拟奠定理论基础,为压接型IGBT器件失效短路耐受能力测评及提升提供技术支撑。
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