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為滿(mǎn)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(guī)模并聯(lián)使用。而芯片并聯(lián)回路寄生電感、熱阻等封裝參數(shù)的差異，會(huì)引起并聯(lián)芯片的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫分布不均。若器件長(zhǎng)期工作在此環(huán)境下，不僅會(huì)影響封裝材料的使用壽命和絕緣材料的絕緣性能，也會(huì)加速芯片的老化。

工程中往往采用降額運(yùn)行的方法，以減小并聯(lián)芯片穩(wěn)態(tài)結(jié)溫不均對(duì)柔性裝備的危害，導(dǎo)致器件性能沒(méi)有得到充分發(fā)揮。因此，并聯(lián)IGBT芯片的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫分布不均，已經(jīng)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(guān)鍵問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)器件內(nèi)部并聯(lián)芯片的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫開(kāi)展了大量理論和實(shí)驗(yàn)工作。2020年，華北電力大學(xué)的Zhang Yiming等提出了時(shí)序電參數(shù)法，研究了壓接型IGBT器件內(nèi)部芯片的穩(wěn)態(tài)的結(jié)溫分布。研究表明，在低頻換相時(shí)，影響器件內(nèi)部穩(wěn)態(tài)結(jié)溫分布的主要因素是芯片通態(tài)管壓降和各芯片散熱支路的熱阻。

與低頻工況不同，當(dāng)IGBT器件工作在中高頻工況時(shí)，隨著器件工作頻率的升高，影響并聯(lián)IGBT芯片換相損耗的關(guān)鍵參數(shù)變?yōu)樾酒髦返陌l(fā)射極寄生電感和封裝熱阻。在實(shí)際換相運(yùn)行中，器件的發(fā)射極寄生電感和封裝熱阻共同決定了并聯(lián)IGBT芯片的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫分布。

但由于并聯(lián)IGBT芯片復(fù)雜的損耗特性，且受限于測(cè)量手段，大部分學(xué)者通常采用仿真的方法研究中高頻工況下并聯(lián)IGBT芯片的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫分布問(wèn)題，電熱耦合模型被廣泛地應(yīng)用于IGBT器件的換相過(guò)程分析。但是，器件的換相過(guò)程在微秒時(shí)間尺度，而器件的熱時(shí)間常數(shù)則為幾秒甚至十幾秒。器件熱時(shí)間常數(shù)隨其功率等級(jí)的不斷增加，瞬態(tài)電熱模型存在效率低、計(jì)算速度慢的問(wèn)題，浪費(fèi)了大量計(jì)算資源。

此外，在中高頻工況下，并聯(lián)芯片結(jié)溫分布不均帶來(lái)的危害也更大。一方面，并聯(lián)芯片電流分配不均會(huì)危害到器件的安全工作區(qū)，導(dǎo)致器件的過(guò)電流失效；另一方面，電流不均引起的損耗差異，會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)芯片的穩(wěn)態(tài)結(jié)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡考慮并聯(lián)器件的電流均衡和溫度均衡問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)并聯(lián)IGBT芯片的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫的均衡調(diào)控，并改善瞬態(tài)電熱仿真方法計(jì)算速度慢的問(wèn)題，新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）、先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司）的研究人員范迦羽、鄭飛麟、王耀華、李學(xué)寶、崔翔，在2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，研究了計(jì)及熱阻與發(fā)射極寄生電感匹配的并聯(lián)IGBT芯片穩(wěn)態(tài)結(jié)溫均衡的調(diào)控方法。

圖1 并聯(lián)IGBT芯片的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)

在本課題中研究人員建立了并聯(lián)IGBT芯片的電熱模型，研究了并聯(lián)芯片結(jié)溫、發(fā)射極寄生電感與并聯(lián)芯片動(dòng)態(tài)損耗的關(guān)系。提出并聯(lián)芯片的動(dòng)態(tài)損耗擬合公式，公式計(jì)算結(jié)果與模型結(jié)果的誤差小于3%，具有很好的有效性。

他們還發(fā)現(xiàn)了了IGBT芯片的封裝熱阻、發(fā)射極寄生電感對(duì)并聯(lián)芯片穩(wěn)態(tài)結(jié)溫的影響規(guī)律。結(jié)果表明，發(fā)射極寄生電感對(duì)并聯(lián)芯片間的最高穩(wěn)態(tài)結(jié)溫影響較小，但當(dāng)并聯(lián)芯片封裝熱阻不同時(shí)，發(fā)射極寄生電感引起的動(dòng)態(tài)不均流會(huì)惡化并聯(lián)芯片的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫分布，導(dǎo)致并聯(lián)芯片間的最高結(jié)溫大幅增加，進(jìn)而限制并聯(lián)芯片的安全工作區(qū)。

此外，科研人員指出，本次研究中提出的并聯(lián)IGBT芯片穩(wěn)態(tài)結(jié)溫均衡方法，可根據(jù)不同結(jié)溫下并聯(lián)IGBT芯片的動(dòng)態(tài)損耗，通過(guò)聯(lián)立方程組得到匹配的熱阻和電感參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)芯片穩(wěn)態(tài)結(jié)溫均衡。由于所提方法不考慮芯片升溫過(guò)程及熱容參數(shù)的影響，從而避免了復(fù)雜的IGBT瞬態(tài)電熱耦合計(jì)算。

本文編自2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“計(jì)及熱阻與發(fā)射極電感匹配的并聯(lián)IGBT芯片穩(wěn)態(tài)結(jié)溫均衡方法”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)聯(lián)合基金的支持。