【摘 要】
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功率半导体器件作为制造各类电力系统高压大容量电力换流和控制装备的核心器件,贯穿于可再生能源电力汇集与并网、交直流输电与组网、电力灵活应用的全过程。压接型IGBT器件具有双面散热、失效短路、易于串联等优点,更适用于智能电网中的各类高压大容量电力换流和控制装备。考虑到我国经济发展和能源需求的大背景,研制具有自主知识产权的高可靠性的高压大功率压接型IGBT器件,对于我国的产业升级和电网建设都具有重要意义
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会—国家电网公司智能电网联合基金(U1766219):压接型IGBT器件封装的多物理场相互作用机制;
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功率半导体器件作为制造各类电力系统高压大容量电力换流和控制装备的核心器件,贯穿于可再生能源电力汇集与并网、交直流输电与组网、电力灵活应用的全过程。压接型IGBT器件具有双面散热、失效短路、易于串联等优点,更适用于智能电网中的各类高压大容量电力换流和控制装备。考虑到我国经济发展和能源需求的大背景,研制具有自主知识产权的高可靠性的高压大功率压接型IGBT器件,对于我国的产业升级和电网建设都具有重要意义。为了提高压接型IGBT器件的通流能力,一个器件通常由数十个IGBT与快恢复二极管封装集成,器件内大量并联IGBT芯片的电流均衡化调控成为器件研发的难点之一。压接型IGBT器件由器件内部的驱动印制电路板(以下简称“驱动板”)导通芯片,驱动板寄生参数的不一致会引起瞬态过程中内部IGBT芯片栅极电压不一致,芯片不能同时开通,造成并联芯片的瞬态不均流。本文立足于并联均流的核心课题,结合国产化高压大功率压接型IGBT器件研发的实际需要,针对规模化并联封装中驱动板的结构以及运行工况,采用实验测量与理论计算相结合的手段,对高压大功率压接型IGBT器件内的驱动板的特性规律、建模方法与调控应用进行了深入研究。首先,建立了包含驱动源、芯片和驱动板的一体化集总电路模型,研究了芯片开通过程中栅极电压的变化规律和驱动板的瞬态响应特性,揭示了栅极回路电阻、芯片栅极内电阻、芯片栅射极电容对芯片栅极电压一致性的影响规律。其次,提出了芯片栅极电压一致性条件(以下简称“一致性条件”),实验验证了所提驱动板设计原则的有效性。以一致性条件为指导原则提出了驱动板电感匹配法、并联芯片数匹配法、集中电阻补偿法以及环形回路法的驱动板的调控方法,实现了对栅极电压一致性的有效调控。最后,将多层板应用于压接型IGBT器件的驱动板设计,以降低并联芯片驱动板寄生参数的分散性来提高芯片栅极电压的一致性为原则,针对压接型IGBT器件提出了四层驱动板设计方案。建立了四层驱动板的驱动回路等效电路模型,分析了多层驱动板走线及驱动电压一致性的控制原则,获得了驱动电阻、芯片电容等参数对多层驱动板栅极电压一致性的影响规律,验证了多层驱动板可以有效地提高芯片栅极电压的一致性。
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