英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
翻译1
IGBT封装模块的仿真研究
摘要： 仿真技术对 IGBT模块的仿真设计提供了一种有效的工具。IGBT芯片模型和各部件之间的寄生效应是IGBT模块的封装设计中要考虑的重要部分。通过仿真对IGBT芯片建模并对提取封装结构内的寄生参数。因此，IGBT封装模块的仿真需要在该设计平台实现。
关键词: IGBT芯片；参数提取；寄生；封装；
I 介绍
作为现代功率电子器件的代表，IGBT在工业、能源、交通和其他领域扮演着越来越重要的角色。通常IGBT模块是封装在塑料模块里的，并往其内部注入硅胶，并在芯片间的构建铝材质的键合引线。其复杂的三维结构会随电压和电流变化而不同。
仿真技术的快速发展为IGBT模块设计提供了一个强有力的工具，建立能够反映电学特征的模型能够有效降低研究成本并缩短设计周期。IGBT芯片模型和各部件之间的寄生效应是IGBT模块的封装设计中最重要的因素。对于穿通式IGBT模型，本文提出了一种基于集总电荷对寄生参数进行提取的方法。封装结构内的寄生效应是借助于有限元模拟软件提取的。所以整个IGBT封装模块仿真设计都在该软件上实现。
II 布局与结构
400A/600VIGBT模块的外形与电路图在图1中展示，它广泛应用作为换流器中的单开关。该模块具有四个端子，包括一个栅极电路（即4，5和 6，7）和三个功率级连接端口（即，1，2和3) 。IGBT芯片中含有一个续流二极管芯片模块。布局设计促成了特定的功率特性和外形。图2为内部结构图。线路中的单开关在封装模块内部实际上有两个IGBT芯片和两个续流二极管芯片。由于芯片为偶数而且并行排列，因而模块中各部件位置和它们的外部连接都是对称的，包括门电路。
图1 模块外形与电路（a）外形（b）电路
图2 模型层次分布图
III IGBT模型
A集总电荷模型
赫夫纳形成了第一套完整的适用于模拟器执行的一维物理模型，这种模型在IGBT电路模型中被广泛接受。但参数提取太复杂以至于全世界只有若干个实验者有准确提取模型参数的能力。Maetal引入了一种新的替代方法，基于物理模型为能源设备建立提供了有力的工具。这种方法被称为“集总电荷模型”，它能在精度和简单性之间的有一个很好的折衷。基于这种方法，Lauritzenetal 展现出了一种新的IGBT模型，但是只能模糊的提取参数。在这项工作中，我们将基于集中电荷对穿透型IGBT提供一种新的提取参数的方法。
在文献[5]中，IGBT模型有17个模型参数，可根据使用寿命、MOSFET、电容、寄生和拟合参数来分类。在下面的部分将介绍新的提取参数方法。
B寄生参数的提取
在大多数实际应用中，IGBT总是在钳位感性负载条件下的进行开关。在初始电流的下降时间后，通过提取指数电流衰减后的时间常数如图3所示，来提取寄生参数。
图3 在感性负载下IGBT的关断电流
开关关断的缓慢衰减电流如下所描述。
(1)
其中（0）是在电流衰减缓慢衰减部分开始时的充电控制电流。是只与IGBT的设定值有关的一个常数。下面的关系可以推导和求解。
（-1） (1-)=- (2)
其中，t1和t2是在IGBT断开时缓慢衰减的电流所产生的波形中的两个指定的时间。等效时间常数的如下面的公式。
= (3)
其中是缓冲层是超高的载流子寿命，是高水平的过载流子寿命，w基础宽度,缓冲层宽度。和分别是低压、高压下的孔扩散系数。虽然是关于发射效率a和基载流子寿命b的一个复杂函数，但是大致可以简化为一个过程来提取和. 假定在不同的负载电流下，和保持不变。当IGBT在三种不同的低电压下切换时，三组的可以从电流波形中测量出。对于这些给定的电压，由于只有两个未知量，三个方程组可以求出这些变量。
C. MOSFET参数提取
MOSFET中的阈值电压和电导系数可以在如图4所示的输出特性曲线得出。
图4 IGBT的输出特性曲线
流过MOSFET的电流是总的IGBT电流的一部分，计算如下：
(4)
(5)
beta;是寄生双极晶体管的增益。在饱和通道运行时，MOS通道电压近似等于集电极发射极电压。内置的电压为p-n结的电压等于在直流I-V曲线的当前起始点的电压。
因为IGBT通常工作在线性区， MOSFET的电传导拟合参数B设为2.
D. 电容参数提取
IGBT的瞬态行为是由该装置结构中不同区域载流子存储效应决定，进而导致不同的等效电容。栅极发射极电容是IGBT器件MOSFET的栅极和源极之间电容。在[5]中是不变的。可以通过图3中的栅极电荷曲线得出或在低电压时— 极间电容数据得到。
图5 IGBT的栅极电荷曲线
如果来自栅极电荷曲线，对于C给出的表达式为：
(6)
其中是IGBT门极累计的栅极电荷，是发射极电压。点（）位于直线部栅极电荷曲线上，并且与直流母线电压相等的电压对应。是位于门极和MOSFET内部的漏极区域之间的氧化层电容，它不会根据施加在设备上的电压而变化。几乎等于和的系列值，其中是在漏区的耗尽层电容. 由于耗尽层非常薄，当是相当小的，是非常大. 因此，对和串联电容几乎等于. 因此，在电压非常低的装置中，是一样。如图所示，可以用P2和P3的信息导出。
的表达式:
(7)
可直接从电容曲线数据表得出。体效应参数的提取如参考文献[5]。
IV互连寄生
A.封装寄生效应
对于开关速度快和功率高的IGBT，寄生参数是它封装要求布局设计的要考虑的主要问题。基本上有两个重要原因：第一，大的尖峰电压会导致高瞬时电流和杂散电感，它会破坏装置；第二，并联芯片之间的寄生参数的差异会导致的电流不均匀分布，从而影响整个模块的性能。由于结构复杂，很难直接测量的寄生参数。因此，寄生提取是在有限元分析软件的帮助下进行的。基于电路仿真软件研究了不同的封装寄生效应下开关特性。
B.寄生参数提取
该模块的三维模型（图2），提供正确的尺寸，材料特性（导体和介电常数的绝缘体）和边界条件（导体和电流路径），该软件可以提取结构任意几何形状的阻抗。
图6 模块的杂散电感
（a）IGBT上层开关.(b)IGBT下层开关
每一个端子或电源端口都有一个内在的寄生引线电感和电阻。此外，由于发射器和集电极之间的内部连接，还有另一个寄生参数，这种内部连接在任何其他双联设备也存在。在提取寄生参数时，需要考虑一些因素。由于接通和关断电路拓扑是不同的，这就意味着，在电路的操作过程中，电流路径将发生周期性变化。其结果是电路回路的电感将改变。同样，回路上的互感也会改变。因此，如图6所示，开关状态不同，互连杂散参数的形成也不同。
C.电流模型
在图6中，寄生参数映射到它们相应的元件上。已绘制的等效电路来显示每个元素的自电感。在图中，相互电感和电阻并没有被显示，以保持图的清晰度。寄生电感和电阻主要是由于包装产生的，它是由部件的互连构成的，如DBC基板上的键合线和铜线。布局图的俯视图如图7所示。IGBT芯片上不同的电流路径被高亮标出。对称的平衡功率可以被检测到。栅极信号路径相同，在图中已省略。
图7 IGBT布局图的俯视图
V仿真与分析
在感性负载的斩波电路中，等效电路和IGBT芯片模型被仿真。仿真结果和实验数据在图8 和图9 中可看到。通过上述过程中提取的参数值，仿真结果与实验结果吻合较好。
图8 仿真数据
图9实验数据
当变频器IGBT模块工作正常，反并联二极管恢复电流的导通和正向电压的接通会使IGBT的电流或电压产生重叠，这可能会在参数提取产生误差。
VI 总结
带有杂散参数的IGBT的模型也进行了仿真研究。结果表明了封装设计的可行性。残留误差也在设计误差之内。但必须指出的是，模拟过程是在电流而不是场的基础上。因此一些分散度几乎是不可避免的。
感谢
作者想感谢国家电网的支持科技项目：“IGBT”的发展（sgri-wd-91-12-001）和“对于3300V碳化硅二极管和硅IGBT混合封装的关键技术（sgri-wd-71-13-007）。
翻译2
高压功率IGBT封装模块的三维物理建模
摘要：140mmx190mmx38mm大小的单开关高电压绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块作为一个标准部件已广泛用于高电压转换器中。其内部结构设计与装配过程不断的进行优化，以实现其内部母线低的寄生电感，更好的优化基座与整个模块的热力/机械特性。在本文中，三维建模技术已被用于电气，电磁、热、机械（物理）方面，这加快了设计周期，减少昂贵的研究和开发成本。三维建模与仿真技术的应用，使内部的寄生电感减少了30%。
关键词：IGBT，封装，有限元分析，电磁，热机械模拟
一、引言
大功率IGBT模块在电力电子应用中的是一个关键部件，如可再生能源、牵引、电动汽车等[1]。目前和未来的电力电子市场需要的是更高功率密度，更高的开关频率，更高的电压和电流额定值，更高的工作温度，更小的尺寸，更低成本的产品。这是推动功率模块封装技术的新水平的主要驱动力。但是仍需要有很多新的技术，包括包装材料，装配工艺技术，测试设备，来进一步满足最终用户的要求[1]-[3]。
IGBT封装模块通常提供电shy;磁性（电磁）保护，化学保护，机械支撑，电器元件的热损耗保护，电气部件之间的相互连接保护。基于应用方案和电压额定值的不同，包装结构，技术和材料选择也是不同。在本文中，我们主要关注高压IGBT封装技术的发展，尺寸为140mm x 190mm x38mm， 3.3kv/11500a或1.7kv/3600a中压电压等级的封装模块。如图1 [1]-[3]所示。其相应的内部电路图可以看出图2，这是一个单一开关电路。部分内部垂直结构可以在图3中看到，这展示了芯片层，芯片焊接界面，基板的上层金属层，中层瓷层，下层金属层，基板，基板焊层和底板层。这个IGBT模块的部分将IGBT /二极管片组装在一起，并焊接到金属基板，基板焊接在底座上，然后钢丝模具与基体结合，在通过母线粘结到基底，凝胶填充，胶框等工艺来进行保护和确保长周期工作的可靠性。IGBT模块的电磁、热、机械性能，需要进行设计和优化来保证该模块在各种环境下能长期稳定工作。
在全面发展的阶段，对组件材料的选择和优化装配工艺的考虑是极其重要的。通常，一些计算机模拟工具会被用来模拟仿真来缩短开发周期，进行验证和优化设计的实验。
图1 型号为140mmX190mmX38mm模块的三维的外部结构
图2 IGBT 内部电路图
在以下章节中，主要是内部部件设计和整体模块组装的考虑和基于3D电磁响应的仿真结果，电力、热学、力学的仿真模拟，以及一些测试结果。
二，基板装配结构设计与仿真
在IGBT 模块往高电压3.3kV发展过程中，多物理有限元分析（FEA）仿真[4]已被用于来设计和优化其结构和组装过程。在我们的设计和模拟中，各组件的3D结构从CAD软件中导出，并导入到不同的FEA仿真的封装结构中[4]。
电磁仿真：该电流模块的分布和传导路径已通过仿真进行了均衡[4][5];母线的的杂散电感汇也已进行提取和优化，以尽可能减少的过冲电压对该模块开关性能的影响[5]，在仿真技术的协助下电感值已经减少30％。热力模拟已用于评估和优化整体模块的热机械性能;一些关键工艺，如焊锡厚度已通过热机械模拟进行了优化。
内部结构主要包括半导体模具，焊接层，陶瓷基板和基板，。并可在图3中可看到电源端子、人工智能连接线和硅胶凝胶封装[1][3]。高电压应用中，氮化铝（氮化铝）陶瓷作为绝缘子来使用。与其他的绝缘材料（170W／m.K）和铜管优越的热储热能力和热扩散特性氮化锌有低热阻的特点。机械应力在硅芯片中的应用是关键。与其他金属或塑料做底座的材料相比，热膨胀系数为4.7pprnlk,氮化铝和有硅半导体（4.0ppm / K）能有更好的匹配。在电源模块中使用材料不同，热膨胀系数和导热率不同。在图4中可观察的到。
图3 IGBT的外结构图lt;
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[152459]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
