华电学者在弹性压接型IGBT绝缘结构的电场瞬态特性研究上取得进展
Huadian scholars have made progress in the study of electric field transient characteristics of elastic crimped IGBT insulation structures
弹性压接型IGBT在电网应用场景中前景广阔，其内部的绝缘问题是研制过程中面临的主要挑战之一。本文针对弹性压接型IGBT器件内部的复合绝缘结构，采用时域边界电场约束方程法，分别仿真计算了两种实际工况下器件子模组封装绝缘结构中的瞬态电场分布，获得器件封装绝缘结构中电场的瞬态特性，提出了器件内部电场调控的方法。
研究背景
压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是支撑柔性直流装备研制的核心器件，其中，弹性压接型IGBT能更好地实现器件中各并联芯片的压力均衡，绝缘性能也更为优越。弹性压接型 IGBT 器件的应用工况复杂，器件的工作电压不再是传统的直流或交流电压。目前针对高压IGBT器件封装绝缘结构的电场研究，国内外科研人员已开展了一些研究，但是通常是在静电场或恒定电场下进行，没有考虑实际工况下电场的瞬态特性。因此，为指导弹性压接型IGBT器件的封装绝缘结构设计，需要在实际工况下研究器件的封装绝缘结构中电场的瞬态特性。
论文所解决的问题及意义
本文针对弹性压接型IGBT子模组的封装绝缘结构进行实际工况下的仿真计算研究。对比了两种实际工况下子模组内的瞬态电场分布的差异，分析了子模组中最大电场强度的模值和位置随时间的变化规律，提出了提高界面处的材料参数匹配程度的方法，实现了对子模组内电场分布的调控。所提方法能显著降低器件内部最大电场强度的模值，可为弹性压接型IGBT器件的封装绝缘结构设计和优化提供参考。
论文方法及创新点
1、仿真建模与计算方法弹性压接型IGBT器件的应用工况复杂。在混合型直流断路器的正常运行状态下，主回路上的IGBT器件长期处于导通状态，转移支路上的器件关断；故障时，转移支路上的器件导通，而主回路上的IGBT器件关断。
因此，直流断路器中的IGBT器件工作在单次关断或导通工况，其电压可以看成具有一定上升沿的非理想阶跃电压。而在高压直流换流阀中，IGBT器件工作处于重复导通和关断状态，其工作电压为正极性重复方波电压。两种电压波形如图1所示。
图1 两种工况下的电压波形
由于子模组关于中间轴线呈左右对称，因此本文中将子模组的三维结构简化为二维，选择截面的右半边作为计算模型，具体的边界条件如图2所示。
图2 弹性压接子模组的二维数学模型及边界条件
整个计算区域为各个边界包围起来的闭合区域，共包含5种绝缘材料。在器件封装绝缘结构的电场计算中，通常将芯片简化成材料硅，本文沿用了这一简化，芯片终端的钝化层为PI，外框架材料为尼龙6。模型中的材料参数如表1所示。
表1 弹性压接子模组计算模型中材料的基本参数
2、不同工况下器件内部的电场分布特性在单次关断工况计算中，子模组承受的电压为图1（a）所示的非理想阶跃电压，电压的上升时间tr=5μs，幅值Um =4500 V，计算总时间为2500s。
在重复导通关断工况下，子模组承受的电压u(t)为图1（b）所示正极性重复方波电压。为保证精度，每个周期选取4个点计算。方波电压的幅值Um=4500V，占空比α= 0.5，方波电压的上升时间tr和下降时间tf均为5μs。
单次关断和重复导通关断工况下，PI钝化层侧的电场强度模值和界面电荷密度随时间的变化如图3所示，其中蓝色实线表示电场强度，橙色实线表示界面电荷密度，界面上法向量的正方向从PI钝化层指向芯片。单次关断工况下，界面上积累的电荷逐渐增大，界面上的电场强度也随之逐渐变大。
随着时间的推移，界面电荷密度、界面电场趋于稳定。在重复导通关断工况下，界面电荷在关断状态逐渐积累，在导通状态逐渐消散，因此其波形为三角波形。然而关断状态积累的电荷无法在导通状态时完全消散，因此随着时间推移，界面电荷量逐渐增大，直至达到稳定。
图3 界面电场强度和界面电荷密度随时间的变化
在单次关断工况下，器件封装绝缘结构的瞬态电场分布如图4所示。当t=5μs时，芯片/镀铝层/PI钝化层结合处电场局部加强，这是由于三结合点处的介电常数和电导率不连续造成的；随着时间推移，当t=2500s时，由于芯片/PI钝化层界面(后文简称界面1)和PI钝化层/有机硅凝胶界面(后文简称界面2)界面上积累电荷，使得PI钝化层内部、芯片和有机硅凝胶中的场强逐渐变大。
图4 单次关断下电场随时间的变化
对于重复导通关断工况，选取每个周期的导通状态末和关断状态末两个时刻，分析子模组中的电场和电荷特性。图5给出了重复导通关断工况下子模组内最大电场随周期数的变化情况，其中，不同周期关断状态末的场强最大值出现的位置用红色点标出，导通状态末的最大值出现的位置用蓝色点标出。
图5 重复导通关断工况下不同周期最大电场出现的位置
单次关断工况和重复导通关断工况下，子模组内的最大电场强度总是出现在芯片/PI钝化层界面上，且单次关断工况下，最大电场强度的模值更大，出现的位置也会随着时间发生转移，对器件的绝缘性能要求更高，因此在进行器件的绝缘设计的时候需要考虑具体的应用工况。3、子模组瞬态电场调控方法
为降低子模组内的最大电场，可以采用优化子模组内绝缘材料介电常数和电导率的匹配程度的方法。氮氧化硅(SiOxNy)的薄膜材料有很好的机械、化学、电学特性和热稳定性，适宜用作高压器件的顶层钝化层材料。选用氮氧化硅材料作为钝化层对单次关断工况下子模组电场进行重新计算，计算条件与第三节的单次关断工况条件相同。
相比于PI材料，氮氧化硅作为钝化层材料时，电导率更大，芯片与钝化层的界面上，ε2/γ2−ε1/γ1差值更小，稳态条件下界面上积累的电荷也会变小，进而降低场强。图6给出了钝化层材料改进前后t=2500 s时电场分布与芯片与钝化层界面上的电荷密度分布。
图6 改进材料后电场与电荷分布特性
当采用氮氧化硅材料作为钝化层时，界面上的电荷密度下降了3个数量级，最大电场强度的数值相比于PI作为钝化层时降低了42.7%。因此，合理选择适合的钝化层材料，使得绝缘材料和芯片的介电常数更好地配合，有利于降低子模组封装绝缘结构中的最大电场，从而降低放电及绝缘击穿的风险。
结论
本文建立了弹性压接型IGBT器件在单次关断与重复性导通关断电压工况下的瞬态电场计算的数学模型，确定了初值-边值问题，采用文献[25]中的瞬态边界电场约束方程法，系统研究了弹性压接器件在单次关断和重复导通关断工况下的电场分布，获得了器件封装绝缘结构中电场的瞬态特性，对比分析了两种工况下弹性压接器件各主要复合绝缘结构界面电场与界面电荷的瞬态变化规律。在此基础上，研究者提出了改变钝化层材料以提高绝缘介质间参数匹配程度的方法实现对器件内部电场的改善，计算发现该方法使得器件内的最大电场强度大大降低，这为弹性压接型IGBT器件内部结构绝缘设计提供了新的思路。