IGCT變溫測試夾具的優化設計

摘要

　　隨著集成門極換流晶閘管（IGCT）在中高壓大容量AC-DC換流器、DC-DC 直流變壓器以及直流斷路器等設備中的廣泛使用，對IGCT器件特性和可靠性評估也引起人們的關注，因此對IGCT測試系統的需求也越來越緊迫。變溫測試夾具作為IGCT測試系統中不可或缺的組成部分，在IGCT測試過程中對器件起支撐、定位、加壓和加熱的作用。

　　本文以4奠寸通用型IGCT為測試對象，設計了變溫測試夾具的結構，并利用3D建模軟件SolidWorks和有限元仿真軟件ANSYs對所設計夾具的溫度與機械應力分布進行了仿真和分析，提取了優化設計的結構參數。主要內容和成果如下：

　　首先，根據IGCT結構和測試條件要求，以門式壓力結構為基礎，設計IGCT變溫測試夾具結構，包括加壓、加熱及絕緣的夾頭、支撐驅動電路的托板，以及連接壓力傳感器和液壓油缸的轉接零件，可為IGCT提供恒定的壓力和可變的穩定溫度測試環境。

　　其次，建立了GCT的封裝結構模型及測試夾具結構模型。通過熱仿真，分析了GCT封裝結構的溫度分布及其熱阻，以及測試夾具的加熱時間及芯片內部的溫度分布：討論了加熱塊直徑、加熱棒的數量和間距等參數對加熱時間和芯片溫度分布的影響：確定了針對不同測試溫度的加熱時間，提取了加熱塊優化的結構參數：對比了不同加熱棒數量對芯片熱應力的影響。

　　最后，對IGCT變溫測試夾具的結構進行了機械應力仿真，對測試夾具各組成部分的機械應力分布及上固定板形變進行了分析，并對導柱、上下固定板、活動板以及驅動電路托板進行了優化設計，確定IGCT變溫測試夾具的結構參數。

　　該結果可為IGCT測試系統中變溫測試夾具的研制提供設計依據。

　　關鍵詞：集成門極換流晶閘管：變溫：測試夾具：溫度分布：壓力分布

Abstract

　　With the widespread use oflntegrated Gate Commutated Thyristor （IGCT） in medium- and high-voltage large-capacity AC-DC converters, DC-DC transformers, and DC circuit breakers, attention has also been paid to the characteristics and reliability evaluation of IGCT devices, therefore, the demand for IGCT test system is becoming more and more urgent. As an indispensable part of the IGCT test system, the variable temperature test fixture supports, locates, pressurizes and heats the device during the IGCT test process.

　　In this thesis, takeing a 4-inch general-purpose IGCT is used as an example, the structure of the variable temperature test fixture is designed, and the temperature and mechanical stress distribution of the designed fixture are simulated and analyzed by using the 3D modeling software Solid Works and the finite element simulation software ANSYS, the structural parameters of the optimized design are obtained. The main content and results are shown as follows:

　　Firstly, according to IGCT structure and test condition requirements, based on the portal pressure structure, the IGCT variable temperature test fixture structure is designed, including the pressurized, heated and insulated chuck, and the supporting plate of the drive circuit, and the adapter parts connecting the pressure sensor and the hydraulic cylinder, it can provide a constant pressure and temperature environment for the IGCT.

　　Secondly, the GCT package structure model and the test fixture structure model are established. Through thermal simulation, the temperature distribution and thermal resistance of the GCT package structure,and the heating time of the test fixture and the temperature distribution inside the chip are analyzed; The influence of parameters such as diameter of heating block, *Projection supported by Natural Science Foundation（N0. 51477137）number and spacing of heating rods on heating time and chip temperature distribution is discussed; the heating time for different temperature tests is determined, and the optimized structure parameters of the heating block are extracted; the influence of different number of heating rods

　　on the thermal stress of the chip is compared.

　　Finally, the mechanical stress simulation of the structure of the IGCT variable temperature test fixture is carried out, the mechanical stress distribution of the various components of the test fixture and the deformation of the upper fixed plate are analyzed, and the guide post, upper and lower fixed plates, movable plates and drive circuit support plates are analyzed. The optimized design was carried out to determine the structural parameters of the IGCT variable temperature test fixture.

　　The results can provide a design basis for the development of the variable temperature test fixture in the IGCT test system.

　　Key words: Integrated Gate Commutated Thyristor; Variable Temperature; Test Fixture; Temperature Distribution; Pressure distribution

目 錄

　　1 緒論

　　電力電子技術作為電子技術的一大分類是一種能夠實現電能的傳輸、處理、存儲和控制的技術，適用于大功率電力變換和處理。電力電子技術的應用依靠于各種電力電子系統實現，而電力電子系統的核心器件則是功率半導體器件。功率半導體器件主要在電力電子技術中進行變壓、變流、變頻、功率放大和功率管理等工作。

　　1.1 研究背景與意義

　　直流電網是以高壓直流（high voltage direct current,HVDC）輸電、中壓直流（mediumvoltage direct current,MVDC）配電和低壓直流（low voltage direct current,LVDC）用電等為基礎廣泛互聯構成的，必須依靠電力電子技術通過功率變換器實現電壓變換和功率管理。

　　因此，越來越多的以集成門極換流晶閘管（integrated gate commutated thyristor,IGCT）為基礎的中高壓大容量 AC-DC 換流器、DC-DC 直流變壓器以及直流斷路器等設備成為推 動直流電網主干網絡建立和直流輸配電一體化建設的關鍵[1].

　　IGCT 是基于門極關斷晶閘管（Gate Turn-Off thyristor,GTO）開發的，因其核心的門極換流晶閘管（Gate Commutated Thyristor,GCT）芯片采用透明陽極、緩沖層和分立的門-陰極結構，通過門極硬驅動電路，使 IGCT 擁有高通流能力、高阻斷電壓、高開關速度、高可靠性和低通態壓降等優點[2].4.5kV 的 IGCT 的最大關斷電流已經可以超過 10kA,且其結構緊湊，制造成本低，是一種理想的中高壓開關器件。

　　將 GCT 封裝管殼與門極驅動電路連接在一起形成的集成化組件即為 IGCT,主要有環繞型和通用型兩種形式，圖 1-1 所示為這兩種常見的 IGCT 結構形式。IGCT 的門極驅動采用的是"硬驅動"技術，使得 IGCT 與 GTO 相比不需要吸收電路，使得體積縮小、重量減輕、可靠性提高，獲得開關速度高、損耗低的特點。"硬驅動"要求 GCT 和門極驅動單元（Gate Drive Unit,GDU）之間的電感和電阻很低，因此需要將 GCT 和 GDU 直接相連，但是這種集成化設計主要有兩個缺點：一是壓接式 GCT 封裝體內的工作溫度較高；二是驅動電路所需體積仍比較大，因為關斷電路中的電解電容體積很大且對溫度非常敏感[3].GCT 管殼的封裝形式為壓接式封裝。封裝是實現芯片與外部電路電氣連接的橋梁，不僅為芯片提供機械支撐還能夠保護芯片免受物理化學損傷，此外還為芯片提供散熱通道[5]-[6],高壓大功率半導體器件的封裝形式一般都采用壓接式，如大功率晶閘管，GTO 和GCT 等。壓接式結構是在器件的管蓋和管座上施壓均勻壓力將管蓋、鉬片、芯片和管座壓接在一起，實現器件的電氣連接，圖 1-2 所示為 GCT 封裝結構的示意圖[7].由于壓接式結構具有內部無焊接點、無鍵合引線、雙面散熱等特點，避免了鍵合線脫落、焊料層疲憊、鍵合線根部斷裂和鋁金屬層重構等失效因素，適合在高壓大電流場合使用[8]-[9].

　　GCT 芯片的版圖如圖 1-3 所示。陰極為矩形條狀單元按同心圓徑向排列，這不僅能夠避免器件在開關過程中因電流集中而損壞，還能夠提升開通時的 di/dt 耐量[10].該版圖的門極環并不位于中心位置，而是在 5 環和 6 環之間，旨在確保在同等的換流路徑下，提高器件可靠性[10].

　　隨著功率等級、功率密度和開關頻率的提高，功率器件的工作性能和長期可靠性越來越受到重視[3].IGCT 在高壓大功率變流裝置中應用時，由于很高 du/dt 和 di/dt 而產生很高的脈沖尖峰，嚴重影響變流系統的安全性及可靠性。此時，所用 IGCT 模塊的高可靠性就顯得尤為重要，但是每個器件的特性參數不一致，在對其進行測試前并不能夠獲知其相關參數，無法確定其可靠性[11].因而，隨著越來越多的 IGCT 應用于高壓大功率變流裝置中，對 IGCT 成熟測試系統的需求也越來越緊迫。

　　IGCT 變溫測試夾具作為 IGCT 測試系統的重要組成部分，在 IGCT 的測試過程中，擔負著對器件的支撐、定位、加壓和加熱功能，對 IGCT 測試系統和測試平臺的起著重要的作用。

　　1.2 國內外研究進展

　　對于晶閘管測試技術的研究國外起步早，技術成熟。ABB、西門子、三菱等企業均搭建了對應于其產品的，高自動化程度的測試系統，但這些測試設備大多都僅針對這些公司旗下的產品[12].國內由于關于 IGCT 及其測試技術的研究相對較少，還沒有形成統一的行業標準。

　　IGCT 測試一般分為靜態測試和動態測試。靜態測試項目為斷態重復峰值電壓 UDRM、斷態重復峰值電流 IDRM、最大通態平均電流 IT（AV）M、最大通態電流有效值 IT（RMS）和浪涌電流 ITSM 等；動態測試項目為最大通態電流上升率？？？？？？/????（？？？？）、開通延遲時間？？？？（？？？？）、開通脈沖能量 Eon、最大可關斷電流 ITGQM、關斷延遲時間？？？？（？？？？？？）和關斷脈沖能量？？？？？？？？等。根據所測內容不同這些測試項目需要的外部條件也各不相同，中 UDRM 和 IDRM 測試所需溫度條件為室溫，IT（AV）M 和 IT（RMS）測試所需溫度條件為？？？？=85℃，ITSM、？？？？？？/????（？？？？）、？？？？（？？？？）、Eon、 ITGQM、？？？？（？？？？？？）和？？？？？？？？等測試所需溫度條件為？？？？=25℃。

　　2006 年，Forest F 等人利用反接法設計了 IGCT 動態測試臺。圖 1-4 所示為其所研發的 IGCT 測試臺布局[14].由圖由圖可見，IGCT1 和 IGCT2 均有夾具將其固定，并與電路連接在一起。

　　2015 年亞琛工業大學電力與存儲系統研究所研發的測試臺如圖 1-5 所示。該測試臺主要用于測試晶閘管的阻斷能力，同樣需要夾具提供穩定的壓力[15].

　　目前大多數的晶閘管測試臺所用夾具均為實驗室用的定制夾具，需要手動加壓且無法提供超過室溫的溫度環境，僅在實驗室條件下能夠滿足特定的測試需求，通用性較差。

　　在實際操作中，IGCT 的許多測試項目都需要提供超過室溫的多種恒定溫度環境，且需要提供的壓力也較大。此外，手動加壓導致加壓精度不高，被測器件數量較多時效率很低。

　　因此，需要設計一種針對 IGCT 器件，能夠自行加壓、加熱的測試夾具，以提高測試效率和精度。此外，測試過程中器件的零損傷要求也應當被考慮。

　　目前國內大功率功率半導體器件測試采用的測試壓力夾具一般均為門式壓力結構，圖 1-6 所示為典型的門式壓力結構。主要由固定板，夾頭，活動板，導柱和增壓缸組成。

　　由于 IGCT 測試所需壓力較大，而氣壓傳動出力小，效率低，而且氣體的壓縮性遠高于液體，造成氣壓傳動在大噸位壓力夾具中的動作相應速度和運行平穩性等方面差于液壓傳動。因此，增壓缸一般選用液壓缸[17]-[18].門式壓力夾具的工作方式為：增壓缸輸出推力推動固定在活動板上的下夾頭托舉被測器件上升，直至與上夾頭可靠接觸，最終實現夾緊，并通過由上固定板和下固定板組成的門式結構實現加壓動作[17].

　　由于壓接式封裝結構不僅受器件外部壓力的作用，還受到自身內部的電熱應力的作用，而且壓力會影響器件內部各個組成部分之間的接觸電阻和接觸熱阻，所以器件內部電流和溫度的分布會在很大程度上受器件內部壓力分布均勻性的影響，進而使器件的可靠性受到影響[19].一旦壓力分布不均就有可能造成陽陰極接觸不良的情況發生，進而使得封裝結構的熱阻、通態壓降增大，導致器件的結溫升高，最終發生伏安特性蠕變，額定電壓降低等情況，從而大大降低器件的可靠性。

　　雖然典型的門式結構比較簡單，但 IGCT 變溫測試夾具中對兩個夾頭的平行度和夾頭與被測器件陽-陰極接觸表面的粗糙度提出了非常高的要求，并要求最終裝配體的總誤差非常小，對 IGCT 變溫測試夾具各部分零件的加工精度和安裝精度的要求也非常高，這導致 IGCT 變溫測試夾具的成本驟然上升[17].

　　針對這一情況，2017 年西安派瑞功率半導體變流技術有限公司提出了平面度自適應和柔性緩沖解決方案。該方案在典型門式壓力結構的基礎上增加了自適應結構和緩沖彈簧，通過四根螺釘將上夾頭與上固定板相連接，并將緩沖彈簧置于其間，此外還在夾頭和固定板之間設置有一鋼球，如圖 1-7 所示。通過螺釘與上固定板螺釘孔的間隙配合，使上夾頭能夠向上進行位移，同時還能夠有一定程度的傾斜，再配合鋼珠實現了平面度自適應。

　　IGCT 測試夾具要求能夠自行加壓和加熱。因此，除機械結構外，測試夾具還應包含自動加壓系統和溫度控制系統。液壓加載技術目前已實現了機電液的一體化，高性能，高效率及低能耗。通過計算機實現自動加載和自動化調節，以及智能化的故障預處理，可以用集成閥塊代替管路連接，實現集成化和標準化，方便系統的維護和擴展[20].液壓系統以外，IGCT 變溫測試夾具還應具有溫度控制系統，能夠將 IGCT 芯片加熱至設定溫度且保 持穩定。典型的升溫保持系統包括加熱元件、升溫控制回路、溫度檢測元件和控制器。

　　本課題組此前設計了一種能夠自動加熱和加壓的 IGCT 測試夾具的壓力控制系統和溫度控制系統。但是完整的測試夾具需要測試夾具結構和控制系統共同作用才能完成向IGCT 提供所需的測試環境。傳統壓力夾具由于結構簡單，不具備加熱、絕緣功能，無法滿足 IGCT 測試所需，而且 IGCT 驅動電路與 GCT 封裝管殼集成在一起體積較大，傳統夾具無相關支撐結構。因此，需要專門為 IGCT 設計用測試的壓力夾具

　　1.3 本文主要工作內容

　　IGCT 變溫測試夾具旨在為被測 IGCT 器件提供合適的壓力和溫度環境，主要包含測試夾具機械結構，液壓控制和溫度控制系統。本文以 4 英寸 IGCT 為測試對象，門式壓力結構為基礎，在課題組前期研究的基礎上，采用 Solid Works 軟件和 ANSYS 軟件，對 IGCT變溫測試夾具結構進行了優化設計，設計一種能夠適用于 IGCT 的自行加壓、加熱的變溫測試夾具的結構。具體設計指標如下：

　　1.提供 40kN±4kN 的測試所需壓力，2. 提供室溫、85℃或 125℃的恒定溫度環境，誤差范圍為±0.1℃3. 在加熱過程中要求芯片溫度分布均勻，最高溫度與最低溫度差不超過 0.5℃。

　　論文的章節安排如下：

　　第一章，緒論。首先概述了 IGCT 測試系統和測試夾具的研究背景和意義，然后簡要闡述了國內外 IGCT 測試系統和測試夾具的發展狀況，之后分析了研發 IGCT 變溫測試夾具的必要性，最后給出了本文的研究內容。

　　第二章，IGCT 變溫測試夾具結構設計。根據 IGCT 器件的特點及夾具的功能要求，設計了 IGCT 變溫測試夾具關鍵結構，根據測試夾具各部分零件之間的配合關系設計了其他零件的結構及選型。

　　第三章，IGCT 變溫測試夾具加熱仿真分析。對 IGCT 變溫測試夾具的加熱能力進行仿真；分析了加熱塊直徑、加熱棒數量、間距等參數對加熱時間和溫度分布的影響；最后確定加熱塊的結構和尺寸及加熱棒型號。

　　第四章，IGCT 變溫測試夾具的機械應力仿真與分析。對 IGCT 變溫測試夾具的結構強度進行仿真分析，提取優化后的結構參數，確定 IGCT 變溫測試夾具的結構及尺寸。

　　第五章，總結。對本文工作內容進行總結和后續工作展望。

　　2 IGCT 變溫測試夾具結構設計

　　2.1 IGCT 變溫測試夾具分析

　　2.1.1 門式壓力夾具結構及其工作原理

　　2.1.2 IGCT 變溫測試夾具的設計考慮

　　2.2 上固定板的設計

　　2.2.1 上固定板整體結構設計

　　2.2.2 夾頭結構設計

　　2.2.3 加熱棒選型及加熱塊直徑確定

　　2.3 活動板的設計

　　2.3.1 活動板整體結構設計

　　2.3.2 驅動電路托板設計

　　2.3.3 導套選擇

　　2.4 下固定板的設計

　　2.4.1 下固定板整體結構設計

　　2.4.2 壓力傳感器選型

　　2.4.3 液壓油缸選型

　　2.4.4 油缸至傳感器轉接件設計

　　2.5 本章小結

　　3 IGCT 變溫測試夾具加熱仿真分析

　　3.1 熱分析及仿真軟件介紹

　　3.1.1 熱傳輸方式

　　3.1.2 有限元分析方法及仿真軟件

　　3.1.3 仿真前處理

　　3.2 GCT 封裝結構的熱仿真分析

　　3.2.1 GCT 封裝結構模型建立

　　3.2.2 GCT 結構模型仿真分析

　　3.3 加熱塊的加熱仿真

　　3.3.1 加熱仿真結構模型建立

　　3.3.2 加熱塊直徑對加熱效果的影響

　　3.4 加熱塊的結構優化

　　3.4.1 雙加熱棒與單加熱棒加熱效果對比

　　3.4.2 雙加熱棒間距對加熱效果的影響

　　3.4.3 加熱棒直徑對加熱效果的影響

　　3.5 雙加熱棒與單加熱棒加熱時的熱機械應力分布對比

　　3.6 本章小結

　　4 IGCT 變溫測試夾具的機械應力仿真與優化

　　4.1 測試夾具機械應力的仿真分析

　　4.1.1 導柱拉力分布的仿真分析

　　4.1.2 上固定板機械應力仿真分析

　　4.1.3 活動板壓力分布仿真分析

　　4.1.4 下固定板壓力分布的仿真分析

　　4.1.5 驅動電路托板壓力分布的仿真分析

　　4.2 測試夾具結構及尺寸的確定

　　4.2.1 測試夾具結構的確定

　　4.2.2 測試夾具尺寸的確定

　　4.3 本章小結

5 總結與展望

　　5.1 總結

　　本文以 4 英寸通用型 IGCT 為測試對象，以門式壓力結構為基礎，設計了 IGCT 變溫測試夾具結構，并采用有限元仿真軟件 ANSYS 對測試夾具結構進行仿真驗證，確定了夾 具各組成零件的結構和尺寸。該夾具能夠為 4 英寸通用型 IGCT 提供恒定的壓力和可變的穩定溫度測試環境。通過研究獲得以下主要結論：

　　1. 根據 IGCT 的結構特點及測試條件，以門式壓力結構為基礎，設計了 IGCT 變溫測試夾具結構。該夾具由上、下固定板，活動板和導柱組成，可以提供最大 44kN 的壓力、85℃和 125℃溫度環境；夾頭與夾具主體框架絕緣，最大絕緣電壓能夠達到 4500V 以上。

　　并且，安裝于活動板上的驅動電路托板結構能夠保證 IGCT 在測試過程中可靠運行。此外，與夾頭相連的自適應緩沖結構能夠有效防止被測器件受損，下固定板至活動板的連接結構能夠保證壓力傳感器受力均勻并保證活動板水平運動，從而使系統擁有較高的誤差容限。該變溫測試夾具適合 4 英寸及以下的通用型 IGCT 測試。

　　2. 建立 GCT 封裝結構模型，通過對其溫度分布和熱阻的仿真分析，得到熱阻為8.5℃/kW,與 IGCT 數據手冊參數一致，表明該模型能夠正確反映 GCT 封裝結構的熱特性，為后續夾具的加熱仿真提供了器件結構模型。建立加熱塊-GCT 加熱仿真結構模型，通過仿真 GCT 在測試夾具上加熱的情況，分析了加熱塊直徑，加熱棒數量、間距對加熱時間和芯片溫度分布的影響，提取了加熱塊優化后的結構參數。最終確定采用 2 根HLC1253 加熱棒進行加熱，加熱棒間距為 45mm,將 GCT 芯片由室溫加熱至 85℃時間為2.25min,加熱至 125℃時間為 3.77min,最大溫差為 0.34℃，滿足設計需求。最后，對比了雙加熱棒和單加熱棒加熱時的熱機械應力分布。結果表明，采用雙加熱棒加熱時溫度分布更加均勻，芯片受到的熱機械應力可減小 20.3%.

　　3. 在最大載荷為 88kN 的條件下，對 IGCT 變溫測試夾具的機械應力分布進行仿真，提取了優化設計的結構參數。仿真結果表明，當導柱螺紋為 M20,導柱直徑為 35mm 時，最大拉力出現在螺紋連接處，為 191.36MPa,低于材料抗拉強度；當上固定板厚度為 30mm時，最大壓力出現在固定墊圈處，為 329.17MPa,低于材料屈服強度，最大形變出現在鋼球接觸點區域，為 0.29mm,形變量較��；當活動板厚度為 15mm 時，活動板最大壓力出現在與傳感器弧形壓頭接觸區域，為 261.7MPa,弧形壓頭最大壓力出現在壓頭與活動板接觸點下方，為 277.99Mpa;當下固定板厚度為 25mm 時，最大壓力出現在導柱孔處，為113.63MPa,均滿足設計要求；當驅動電路托板長度為 450mm、寬度為 180mm、厚度為2mm 時，可將托板邊緣因重力產生的形變減小至 0.14mm,確保長期使用的可靠性。

　　5.2 展望

　　本文完成了對 IGCT 變溫測試夾具的設計，但由于時間關系，截止本文完稿，未能完成實驗驗證。后續工作可以將 IGCT 變溫測試夾具與測試臺進行整合，完成的測試系統。

致 謝

　　又是一年初夏，恍然間又想起第一次踏進教研室時，一切都是那么的陌生。如今這里的一切是這般熟悉，想起不久之后就要離開這里不僅有些悵然�；叵肫鹬�三年間的生活雖然平淡但是也有不少收獲，受到了不少人的幫助。在此，由衷地感謝在這三年來給予我幫助的人，慶幸能與你們相遇。

　　首先，非常感謝我的導師王彩琳教授，她嚴謹認真、一絲不茍的科研態度深深影響了我，她嚴于律己、寬以待人的處事風格深深的教育了我，老師不僅教授我專業知識，還教育我做人之道，讓我受益匪淺；感謝我的企業導師許長安高工，他對工作嚴格的要求讓我懂得勤奮學習，不斷補充自己的知識。

　　其次，感謝我同級的李未末、張陽、羅琳、劉圓圓、李阿魯以及我的室友杜巖和陳浩，有你們的存在才能讓我不為處理人際關系感到焦頭爛額，為我的生活增添了色彩；感謝我的師兄弟們，尤其是張琦師兄和謝峰師兄給我的科研工作給予了支持。這三年和大家在一起過的十分開心且充足。這三年也將是我這一生難忘懷念的時光。

　　感謝我的家人在這三年來對我的關心和照顧，無論出現什么狀況都陪在我左右，為我排憂。

　　最后，衷心地感謝各位在百忙之中抽出時間對論文進行評審的老師們，各位的批評指正定能讓我更進一步！

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