摘要
高压IGBT芯片因其低通态管压降和较高的开关频率，被广泛应用于轨道交通、航空航天和电力系统等领域。然而，受限于单颗IGBT芯片的通流能力，往往在工程中将数十颗IGBT芯片并联封装成器件使用。同时，由于大量并联芯片间的相互作用，将会导致IGBT器件的关断能力下降，乃至器件失效，严重危害IGBT器件的安全稳定运行。目前，针对IGBT器件内芯片并联导致的关断能力下降问题，现有研究缺乏足够的实验和理论分析，且由于器件制造商的保密原因，可借鉴的国外文献相对较少。为此，本文对我国自主研制的并联高压IGBT芯片的关断能力下降问题进行了大量实验研究，并对并联芯片的动态闩锁失效、二次击穿失效及PETT振荡失效的失效原因表征方法和关断能力提升方法开展了深入的实验研究及理论分析。 首先，自主研制了并联高压IGBT芯片关断失效与PETT振荡特性实验平台，并设计了近场探头标定实验平台。并联IGBT芯片关断失效特性实验平台的最高电压等级为4.5kV，最大电流等级为900A,最高工作温度为200℃，是目前国内文献报道中最高电压等级、最大电流等级的双IGBT芯片的实验平台。此外，自主研制的近场探头标定实验平台可实现并联IGBT芯片PETT振荡特性的准确测量。两个实验平台的设计与升级为开展并联IGBT芯片的关断失效及振荡问题奠定了扎实的实验基础。 其次，研究了并联IGBT动态闩锁失效的失效原因表征方法及关断能力提升的参数筛选方法。研究了IGBT芯片动态闩锁失效的典型波形特征，结合半导体数值计算，总结了动态闩锁失效元胞的3个典型失效特征。研究了并联IGBT芯片中的动态闩锁失效，明确关断电流重分配中芯片的电流不均是并联芯片关断能力下降的主要原因。提出了多参数组合的芯片筛选方法，有效保证芯片在1.8倍额定电流内的关断均流，改善了并联高压IGBT芯片的关断能力下降问题。 再次，研究了并联IGBT二次击穿失效的失效原因表征方法，及考虑并联芯片结温均衡的封装参数匹配设计方法。对比IGBT芯片动态闩锁失效，研究了IGBT芯片二次击穿失效的波形特征、芯片内部物理场分布及失效元胞形貌，总结了IGBT芯片二次击穿失效的失效特征及失效原因表征方法。研究了并联IGBT芯片的二次击穿失效，确定了并联芯片结温不均易引起二次击穿失效。提出了并联IGBT芯片稳态结温均衡的封装参数设计方法，所提方法避免了瞬态电热耦合计算，解耦了热容对结温的影响，并以两IGBT芯片为例验证了方法的可行性。 最后，研究了并联IGBT芯片PETT振荡失效的失效机理及抑制方法。通过实验研究了PETT振荡在不同电压、电流、温度下的特性，并给出了器件内部PETT振荡的检测流程建议。提出了考虑空穴载流子加速过程的PETT振荡频率修正公式，可将近似公式的误差由24.3％降低至2.64％。提出多芯片并联的PETT振荡反馈机制，研究指出仅需考虑IGBT器件内多端口网络的并联谐振点即可有效实现PETT振荡的抑制。提出了抑制PETT振荡的寄生电感的设计原则，并以两IGBT芯片并联为例验证了所提设计原则的有效性。
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