高压IGBT模块局部放电研究现状

王 昭，刘曜宁



高压IGBT模块局部放电研究现状

王 昭，刘曜宁

（中车永济电机有限公司，陕西 西安 710018）

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模块一直朝着更高耐压和更大电流密度的方向发展，因模块内部电气绝缘和局部放电引起的问题也越来越明显。在高电压IGBT模块封装中，通常使用硅凝胶和环氧树脂来对模块进行灌注和密封，以满足其高电场承受能力，提升整个模块的绝缘性能和局部放电表现。目前很多国内外学者已经在这方面进行一系列研究，主要目的在于优化IGBT模块内部的电场分布。本文重点介绍目前研究的几种可以改善IGBT内部电场分布状态的方法，并对局部放电可靠性的提升方法进行总结。

IGBT模块；电气绝缘；综述；局部放电；高压；封装

局部放电，是绝缘介质中的一种气体放电，足以使绝缘部分区域发生放电，但是放电限制在介质中的部分区域内未形成固定放电通道，这种放电现象被称为局部放电。绝缘介质中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的现象。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质的局部损坏（尤其是有机介质中）。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不仅能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因和严重程度[1]。

近些年来，在电力电子器件封装方面人们取得了巨大进步，基于IGBT器件的变流器拥有更高的开关频率和简单的驱动电路，已经在铁路应用领域基本取代了传统的GTO器件。IGBT器件的主要架构是将芯片焊接在覆铜陶瓷基板（DBC）上，最后再将DBC焊接在与散热器连接的底板上。陶瓷基板的陶瓷一般采用氧化铝（Al2O3）或氮化铝（AlN）材质，因为他们都拥有良好的导热性和很高的电气绝缘能力。芯片的电极通过铝线键合引出到DBC上，然后外部电极直接从DBC上通过焊接方式引出。这个架构安装外壳后，被注入一种介质胶体起保护缓冲作用，并保证器件的绝缘和抑制局部放电的产生，封装的最后使用环氧树脂进行密封。模块通过内部的PCB板连接到驱动电路上。

由此可知，IGBT模块中有三个主要的介电系统，一是陶瓷基板，使用氧化铝（Al2O3）或氮化铝（AlN）（高压通常使用AlN）；二是封装用的硅胶（Silicone gel），其作用是防止模块局部放电或击穿；三是前面两个介质的界面处。因此，IGBT模块也可以看作是介质材料的积累，同样可以用局部放电的情况来衡量其介质可靠性。局部放电现象通常发生在绝缘材料的缺陷孔洞处，当施加电压超过一定阈值时，由于电场的不均匀分布，引起介质发生击穿和放电现象。局部放电会引起烧蚀、温升或臭氧和氮氧化物产生，会降低介质材料的寿命，最终影响IGBT器件的使用寿命[2-6]。

高压IGBT模块的电压等级已达到6.5 kV，随之而来的是对模块绝缘和局部放电性能更高的要求。然而目前人们通过对上述主要的陶瓷介质和硅胶介质的研究发现，对绝缘和局部放电影响最大的因素就是覆铜陶瓷基板（DBC），陶瓷介质的选择直接影响了器件的绝缘和耐压等级，所以高压条件下首先须保证DBC的绝缘和老化表现。其次就是硅胶介质，通常使用硅胶对IGBT模块进行电气绝缘保护，主要是因为它拥有良好的导热、机械和电学性能。

人们通过研究发现，IGBT模块内部电场分布并不均匀，局部电场过高就可能会引起器件发生局部放电，对绝缘介质的属性造成损害，最终可能导致器件绝缘失效，降低器件的使用可靠性。因此，IGBT模块内部局部电场过高已成为导致局部放电或击穿发生的重要原因之一[7-10]。本文主要对引起局部放电的因素进行展开，分析这一现象产生的源头，并分析总结了人们研究的几种可以改善模块局部放电的途径和方法。

1 测试方法

1.1 绝缘和局部放电测试

绝缘是测试IGBT模块的绝缘耐压能力，局部放电是测试模块内部是否有气泡、气缝或是硅胶中是否有杂质等。

图1为IEC 1287标准中定义的电气绝缘和局部放电测试循环示意图[11]。其中，绝缘测试的测试电压是在prms（rms表示电压有效值）保持1 min，其表达式为：

式中：Um是指IGBT模块可容许的最高阻断电压。以6.5 kV IGBT模块为例，绝缘测试必须在10.5 kV rms电压下进行。绝缘测试局部放电测试中，先使用的交流电压1 min，然后电压降至保持30 s，在测试循环的最后5 s，局部放电的电荷积累必须小于10 pC。局部放电测试的操作频率必须是50 Hz或60 Hz。对于6.5 kV IGBT模块，局部放电的测试电压为5.1 kV rms。其中，测试循环第一阶段较高电压下可能产生的局部放电积累必须在第二阶段中被清除。

在绝缘和局部放电测试过程中，IGBT模块的外部电极统一短接在一起，高压被施加在底板和电极之间。整个测试的简化电路如图2所示[12-14]。

图2 局部放电测试电路

1.2 局部放电的位置

IGBT模块中局部放电发生的位置已经被研究人员普遍认可，在高电压情况下，DBC的陶瓷铜金属层的边缘处会因为过高的电场强度引发局部放电[15]。在对局部放电现象进行研究和观测时，人们通常会搭建一个简易的样品测试结构（图3所示），对IGBT内部可能会影响局部放电的各种因素进行研究，如陶瓷介质、硅胶和DBC结构等。

如图4所示，通过对DBC的高压测试进行仿真分析和发光位置测试，也证实了电场强度峰值出现在DBC陶瓷与铜金属层的界面边缘处。为了降低局部放电的影响，人们对绝缘介质材料的要求非常高，如硅胶的介电强度已达到15×106V/mm。

图3 测试样品的结构[15]

图4 施加高压的DBC基板 (a)仿真计算得到的电场分布情况[16](b)在硅胶中的局部放电的发光位置[17]

2 研究现状

陶瓷基底的质量、硅胶的使用环境温度和湿度也都是影响局部放电的重要因素，然而尽管如此，制约IGBT模块局部放电最关键部位仍然是在陶瓷基底与铜金属层边缘，所以在这个位置的硅胶就不仅仅是防止自身内部放电，还要有防止基板与铜层边缘放电的作用，许多研究人员也认为IGBT模块局部放电的主要来源就是在陶瓷基板、铜层与硅胶的界面处[9-10,15]。

因此可以从两个方面入手来研究和解决这个问题，一是对DBC基板进行改进，使用绝缘性能更好的介质材料（不限于陶瓷材料）[18-20]，对现有陶瓷基板的模型结构进行改进，削弱陶瓷基板铜层边缘的电场强度，使电场分布更加均匀，将电极边缘电场强度降低到胶体介质材料所能容忍的限度[9-10,16,21-23]；二是对硅胶介质体系进行改进，寻找可以与DBC介质更加匹配的胶体材料，缓解胶体介质中的局部放电现象[17,24-29]。

Auge等[19]分别使用了硅胶和其他五种不同油液对氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）和玻璃环氧复合物等DBC的基板进行灌封实验，并进行了局部放电的测试。实验的目的就是为了弄清楚局部放电的根源。实验发现局部放电的现象有很大一部分是与陶瓷基底本身有关，陶瓷质量的优劣会直接影响局部放电测试结果。同时还发现局部放电并不是发生在封装的硅胶材料中，而是产生于烧结的陶瓷材料中。局部放电的起因多是与陶瓷基本的属性有关，陶瓷在烧结过程中内部产生的空洞可能是引起局部放电的重要原因之一，如图5所示。替换不同的陶瓷基底对局部放电影响很大，然而替换灌封的胶体介质并没有特别明显的影响。

图5 AlN陶瓷表面的扫描电镜照片，孔洞大小约1 mm

Dutarde等[18]分别采用氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）陶瓷的DBC基板进行研究，分别测试了它们在绝缘、局部放电和材料老化等方面的表现。测试的结果显示AlN的耐击穿强度比Al2O3高出很多，而且陶瓷厚度越薄，其耐击穿能力越好。放电起始电压（DIV）却被发现是独立于材料性质的存在，因为测量中只有表面触发的局部放电，这些放电主要取决于电极的曲率半径。放电起始电压的测量结果是14.2 kV（2 mm样品）和13.2 kV（1 mm样品）。

关于陶瓷表面铜层的形状对局部放电的影响也有大量的相关研究。Frey等[10]在研究IGBT模块局部放电现象时发现，当铜层的边缘形状改进后，其边缘的电场过高现象就会得到明显改善。仿真后发现，当铜层的尖锐倒角形状被做成圆角时，其边缘的电场强度最大值由76×106V/m降低到17×106V/m，其效果非常明显。同样的结果在Jany等[21]的研究中也得到了证实，结果如图6所示。Ebke等[22]在对电极的整体形状进行研究时，发现圆形铜电极的局部放电效果优于方形，主要是方形的边角处电极的形状过于尖锐引起的。

关于在DBC陶瓷和铜层界面处进行介质层沉积来改善其局部放电的报道也有很多。Mitic等[16]在研究中发现，在DBC陶瓷边缘沉积一层高阻的掺杂非晶硅a-Si:H，结构如图7所示，在电压11 kV进行局部放电测试时，可以很明显看到，陶瓷基板铜层边缘电场更加均匀，有效削弱边缘的电场峰值。然而没有非晶硅层的模块进行测试时，在电压3~4 kV时就出现了局部放电迅速增加。a-Si:H层的加入有效降低了DBC边缘的电场峰值，并且在局部放电测试中，电压达到10 kV时局部放电电荷积累也没有超过10 pC。

图7 陶瓷边缘制作非晶硅层的结构示意图[16]

Frey等[9]使用一层阻抗低于硅胶和DBC陶瓷的的介质薄膜，将其沉积在陶瓷的表面，可以很明显地抑制铜层边缘的电场强度，电极边缘的电场强度最大值可以由沉积薄膜前的20×106V/m降低到9×106V/m，其改进的效果也是非常显著。电场分布如图8所示。

图8 DBC陶瓷表面沉积阻性层的电场分布[10]

Donzel等[23]也使用在DBC表面沉积介质薄膜的思路，他们使用ZnO掺杂的聚酰亚胺作为陶瓷外的非线性介质层，同样得到了明显的陶瓷周边电场峰值减弱现象，而且非线性介质层比高介电常数介质层的效果更好。在DBC铜层边缘处硅胶中的电场强度可以被降低到6×106V/m。电场分布如图9所示。

图9 DBC陶瓷表面沉积聚酰亚胺薄膜的电场分布[23]

其次，对灌封介质的绝缘和局部放电研究也有很多。Vu等[27]先后对各种不同的灌封介质液体测试了局部放电，并与硅胶的局部放电情况进行对比。三种不同胶体和液体的技术参数如表1中所示。

表1 硅胶和其甩油液的技术参数

这些胶体和液体的测试结果显示，局部放电的起始电压会随着胶体或液体的属性变化而发生巨大改变，从图10中可以看出，硅胶的局部放电起始电压最小，在硅胶中会最快产生局部放电的电荷积累。而电容器液则有最高的局部放电起始电压。

图10 在不同介质胶体和液体中测得的平均放电电流

Wang等[26]研究人员使用钛酸钡粉体与硅胶的复合来对以往封装的硅胶进行替换，以此来降低在覆铜陶瓷基板边缘的电场强度，从而增加局部放电的起始电压。经测试表明，钛酸钡复合的硅胶的介电常数比纯硅胶的介电常数大，并且表现出介电可调效应，即介电常数随电场改变而变化。作者不但在理论分析上证明了IGBT模块中注入复合硅胶确实可以降低DBC边缘电场强度，并且在一些商业化的3.3 kV模块中使用复合硅胶来进行测试，测试结果如表2所示。同时还测试了复合硅胶的粘性、损耗和热导性等，验证了其在工业制造过程中的适用性。

表2 3.3 kV商用模块中注入纯硅胶和复合硅胶时，局部放电起始电压

Tab.2 Partial discharge inception voltages of actual 3.3 kV modules with filled and unfilled silicone gel

在作者之前的研究中也发现[29]，对BaTiO3复合硅胶覆盖的DBC的电场分布进行分析，仿真结果如图11所示。

图11 在纯硅胶和复合硅胶中AlN基片表面电场强度对比[29]

从纯硅胶和复合硅胶模型的仿真结果可以看出，在AlN和铜金属化层界面边缘处的最大电场强度由9.96×106V/m降低到8.16×106V/m，电场强度峰值降低达18%。

3 结束语

在IGBT模块的例行测试标准中，绝缘和局部放电测试是必测项目，局部放电测试的优劣能直接反映出器件在日后高压使用环境下的可靠性。目前IGBT器件在其介质材料发展方面主要受制于制造技术和商业化水平。只有通过对新型介质材料和新型结构的开发和商业化，才能最大限度地促进IGBT器件在可靠性方面的改善，拓展其应用空间。

IGBT模块内部电场分布不均匀的情况普遍存在，主要受限制于覆铜陶瓷基板的材料和结构，以及封装使用的介质材料。本文通过对关于IGBT模块局部放电现象的研究进行分析和总结，得到目前研究常用的几种改善IGBT内部电场分布状态的方法。概括来说可以通过两个方向来研究缓解局部放电的方法，一是对覆铜陶瓷基板的改进，主要是使用介电能力更好，制备质量更高的材料对中间介质陶瓷进行替换，或是对其表面的铜层电极形状和边缘进行改进；二是改进其灌封使用的介质胶体，使用其他胶体或液体进行替换，或是直接对硅胶进行掺杂和改进。同时，在相关的此类研究中，研究人员大量使用有限元分析方法，分析IGBT模块中电场的分布情况，这是一种快捷有效的计算方法。

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（编辑：陈丰）

Actuality of partial discharge in high voltage IGBT modules

WANG Zhao, LIU Yaoning

(CRRC Yongji Electric Co., Ltd, Xi’an 710018, China)

The IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) modules have been developed for much higher voltage and current density, which leads to serious problems concerning the electrical insulation and partial discharge. The silicone gel and epoxy resin are usually used in the encapsulation of high voltage IGBT module to meet the capability of high electric filed, ensuring performances in the insulation and partial discharge. So far, many efforts have been done to optimize the electric field distribution inner the module. This paper mainly focus on the introductions of these solutions，which could improve the electric field distribution inner the module; Meanwhile, the perspectives are summarized for improving the reliability in partial discharge.

IGBT module; electrical insulation; review; partial discharge; high voltage; encapsulation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.002

TM215.92

A

1001-2028（2017）10-0012-07

2017-06-19

王昭

王昭（1987－），男，陕西西安人，博士，工程师，主要从事IGBT模块封装和工艺研究，E-mail: wangz_crrc@163.com ；刘曜宁（1988－），男，山西永济人，硕士，工程师，研究方向为IGBT模块焊接工艺工序，E-mail: 365317813@qq.com。

2017-09-27 10:57

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1057.002.html