IGCT变温测试夹具的优化设计

摘要

　　随着集成门极换流晶闸管（IGCT）在中高压大容量AC-DC换流器、DC-DC 直流变压器以及直流斷路器等设备中的广泛使用，对IGCT器件特性和可靠性评估也引起人们的关注，因此对IGCT测试系统的需求也越来越紧迫。变温测试夹具作为IGCT测试系统中不可或缺的组成部分，在IGCT测试过程中对器件起支撑、定位、加压和加热的作用。

　　本文以4奠寸通用型IGCT为测试对象，设计了变温测试夹具的结构，并利用3D建模软件SolidWorks和有限元仿真软件ANSYs对所设计夹具的温度与机械应力分布进行了仿真和分析，提取了优化设计的结构参数。主要内容和成果如下：

　　首先，根据IGCT结构和测试条件要求，以门式压力结构为基础，设计IGCT变温测试夹具结构，包括加压、加热及绝缘的夹头、支撑驱动电路的托板，以及连接压力传感器和液压油缸的转接零件，可为IGCT提供恒定的压力和可变的稳定温度测试环境。

　　其次，建立了GCT的封装结构模型及测试夹具结构模型。通过热仿真，分析了GCT封装结构的温度分布及其热阻，以及测试夹具的加热时间及芯片内部的温度分布：讨论了加热块直径、加热棒的数量和间距等参数对加热时间和芯片温度分布的影响：确定了针对不同测试温度的加热时间，提取了加热块优化的结构参数：对比了不同加热棒数量对芯片热应力的影响。

　　最后，对IGCT变温测试夹具的结构进行了机械应力仿真，对测试夹具各组成部分的机械应力分布及上固定板形变进行了分析，并对导柱、上下固定板、活动板以及驱动电路托板进行了优化设计，确定IGCT变温测试夹具的结构参数。

　　该结果可为IGCT测试系统中变温测试夹具的研制提供设计依据。

　　关键词：集成门极换流晶闸管：变温：测试夹具：温度分布：压力分布

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 录

　　1 绪论

　　电力电子技术作为电子技术的一大分类是一种能够实现电能的传输、处理、存储和控制的技术，适用于大功率电力变换和处理。电力电子技术的应用依靠于各种电力电子系统实现，而电力电子系统的核心器件则是功率半导体器件。功率半导体器件主要在电力电子技术中进行变压、变流、变频、功率放大和功率管理等工作。

　　1.1 研究背景与意义

　　直流电网是以高压直流（high voltage direct current,HVDC）输电、中压直流（mediumvoltage direct current,MVDC）配电和低压直流（low voltage direct current,LVDC）用电等为基础广泛互联构成的，必须依靠电力电子技术通过功率变换器实现电压变换和功率管理。

　　因此，越来越多的以集成门极换流晶闸管（integrated gate commutated thyristor,IGCT）为基础的中高压大容量 AC-DC 换流器、DC-DC 直流变压器以及直流断路器等设备成为推 动直流电网主干网络建立和直流输配电一体化建设的关键[1].

　　IGCT 是基于门极关断晶闸管（Gate Turn-Off thyristor,GTO）开发的，因其核心的门极换流晶闸管（Gate Commutated Thyristor,GCT）芯片采用透明阳极、缓冲层和分立的门-阴极结构，通过门极硬驱动电路，使 IGCT 拥有高通流能力、高阻断电压、高开关速度、高可靠性和低通态压降等优点[2].4.5kV 的 IGCT 的最大关断电流已经可以超过 10kA,且其结构紧凑，制造成本低，是一种理想的中高压开关器件。

　　将 GCT 封装管壳与门极驱动电路连接在一起形成的集成化组件即为 IGCT,主要有环绕型和通用型两种形式，图 1-1 所示为这两种常见的 IGCT 结构形式。IGCT 的门极驱动采用的是"硬驱动"技术，使得 IGCT 与 GTO 相比不需要吸收电路，使得体积缩小、重量减轻、可靠性提高，获得开关速度高、损耗低的特点。"硬驱动"要求 GCT 和门极驱动单元（Gate Drive Unit,GDU）之间的电感和电阻很低，因此需要将 GCT 和 GDU 直接相连，但是这种集成化设计主要有两个缺点：一是压接式 GCT 封装体内的工作温度较高；二是驱动电路所需体积仍比较大，因为关断电路中的电解电容体积很大且对温度非常敏感[3].GCT 管壳的封装形式为压接式封装。封装是实现芯片与外部电路电气连接的桥梁，不仅为芯片提供机械支撑还能够保护芯片免受物理化学损伤，此外还为芯片提供散热通道[5]-[6],高压大功率半导体器件的封装形式一般都采用压接式，如大功率晶闸管，GTO 和GCT 等。压接式结构是在器件的管盖和管座上施压均匀压力将管盖、钼片、芯片和管座压接在一起，实现器件的电气连接，图 1-2 所示为 GCT 封装结构的示意图[7].由于压接式结构具有内部无焊接点、无键合引线、双面散热等特点，避免了键合线脱落、焊料层疲惫、键合线根部断裂和铝金属层重构等失效因素，适合在高压大电流场合使用[8]-[9].

　　GCT 芯片的版图如图 1-3 所示。阴极为矩形条状单元按同心圆径向排列，这不仅能够避免器件在开关过程中因电流集中而损坏，还能够提升开通时的 di/dt 耐量[10].该版图的门极环并不位于中心位置，而是在 5 环和 6 环之间，旨在确保在同等的换流路径下，提高器件可靠性[10].

　　随着功率等级、功率密度和开关频率的提高，功率器件的工作性能和长期可靠性越来越受到重视[3].IGCT 在高压大功率变流装置中应用时，由于很高 du/dt 和 di/dt 而产生很高的脉冲尖峰，严重影响变流系统的安全性及可靠性。此时，所用 IGCT 模块的高可靠性就显得尤为重要，但是每个器件的特性参数不一致，在对其进行测试前并不能够获知其相关参数，无法确定其可靠性[11].因而，随着越来越多的 IGCT 应用于高压大功率变流装置中，对 IGCT 成熟测试系统的需求也越来越紧迫。

　　IGCT 变温测试夹具作为 IGCT 测试系统的重要组成部分，在 IGCT 的测试过程中，担负着对器件的支撑、定位、加压和加热功能，对 IGCT 测试系统和测试平台的起着重要的作用。

　　1.2 国内外研究进展

　　对于晶闸管测试技术的研究国外起步早，技术成熟。ABB、西门子、三菱等企业均搭建了对应于其产品的，高自动化程度的测试系统，但这些测试设备大多都仅针对这些公司旗下的产品[12].国内由于关于 IGCT 及其测试技术的研究相对较少，还没有形成统一的行业标准。

　　IGCT 测试一般分为静态测试和动态测试。静态测试项目为断态重复峰值电压 UDRM、断态重复峰值电流 IDRM、最大通态平均电流 IT（AV）M、最大通态电流有效值 IT（RMS）和浪涌电流 ITSM 等；动态测试项目为最大通态电流上升率？？？？？？/????（？？？？）、开通延迟时间？？？？（？？？？）、开通脉冲能量 Eon、最大可关断电流 ITGQM、关断延迟时间？？？？（？？？？？？）和关断脉冲能量？？？？？？？？等。根据所测内容不同这些测试项目需要的外部条件也各不相同，中 UDRM 和 IDRM 测试所需温度条件为室温，IT（AV）M 和 IT（RMS）测试所需温度条件为？？？？=85℃，ITSM、？？？？？？/????（？？？？）、？？？？（？？？？）、Eon、 ITGQM、？？？？（？？？？？？）和？？？？？？？？等测试所需温度条件为？？？？=25℃。

　　2006 年，Forest F 等人利用反接法设计了 IGCT 动态测试台。图 1-4 所示为其所研发的 IGCT 测试台布局[14].由图由图可见，IGCT1 和 IGCT2 均有夹具将其固定，并与电路连接在一起。

　　2015 年亚琛工业大学电力与存储系统研究所研发的测试台如图 1-5 所示。该测试台主要用于测试晶闸管的阻断能力，同样需要夹具提供稳定的压力[15].

　　目前大多数的晶闸管测试台所用夹具均为实验室用的定制夹具，需要手动加压且无法提供超过室温的温度环境，仅在实验室条件下能够满足特定的测试需求，通用性较差。

　　在实际操作中，IGCT 的许多测试项目都需要提供超过室温的多种恒定温度环境，且需要提供的压力也较大。此外，手动加压导致加压精度不高，被测器件数量较多时效率很低。

　　因此，需要设计一种针对 IGCT 器件，能够自行加压、加热的测试夹具，以提高测试效率和精度。此外，测试过程中器件的零损伤要求也应当被考虑。

　　目前国内大功率功率半导体器件测试采用的测试压力夹具一般均为门式压力结构，图 1-6 所示为典型的门式压力结构。主要由固定板，夹头，活动板，导柱和增压缸组成。

　　由于 IGCT 测试所需压力较大，而气压传动出力小，效率低，而且气体的压缩性远高于液体，造成气压传动在大吨位压力夹具中的动作相应速度和运行平稳性等方面差于液压传动。因此，增压缸一般选用液压缸[17]-[18].门式压力夹具的工作方式为：增压缸输出推力推动固定在活动板上的下夹头托举被测器件上升，直至与上夹头可靠接触，最终实现夹紧，并通过由上固定板和下固定板组成的门式结构实现加压动作[17].

　　由于压接式封装结构不仅受器件外部压力的作用，还受到自身内部的电热应力的作用，而且压力会影响器件内部各个组成部分之间的接触电阻和接触热阻，所以器件内部电流和温度的分布会在很大程度上受器件内部压力分布均匀性的影响，进而使器件的可靠性受到影响[19].一旦压力分布不均就有可能造成阳阴极接触不良的情况发生，进而使得封装结构的热阻、通态压降增大，导致器件的结温升高，最终发生伏安特性蠕变，额定电压降低等情况，从而大大降低器件的可靠性。

　　虽然典型的门式结构比较简单，但 IGCT 变温测试夹具中对两个夹头的平行度和夹头与被测器件阳-阴极接触表面的粗糙度提出了非常高的要求，并要求最终装配体的总误差非常小，对 IGCT 变温测试夹具各部分零件的加工精度和安装精度的要求也非常高，这导致 IGCT 变温测试夹具的成本骤然上升[17].

　　针对这一情况，2017 年西安派瑞功率半导体变流技术有限公司提出了平面度自适应和柔性缓冲解决方案。该方案在典型门式压力结构的基础上增加了自适应结构和缓冲弹簧，通过四根螺钉将上夹头与上固定板相连接，并将缓冲弹簧置于其间，此外还在夹头和固定板之间设置有一钢球，如图 1-7 所示。通过螺钉与上固定板螺钉孔的间隙配合，使上夹头能够向上进行位移，同时还能够有一定程度的倾斜，再配合钢珠实现了平面度自适应。

　　IGCT 测试夹具要求能够自行加压和加热。因此，除机械结构外，测试夹具还应包含自动加压系统和温度控制系统。液压加载技术目前已实现了机电液的一体化，高性能，高效率及低能耗。通过计算机实现自动加载和自动化调节，以及智能化的故障预处理，可以用集成阀块代替管路连接，实现集成化和标准化，方便系统的维护和扩展[20].液压系统以外，IGCT 变温测试夹具还应具有温度控制系统，能够将 IGCT 芯片加热至设定温度且保 持稳定。典型的升温保持系统包括加热元件、升温控制回路、温度检测元件和控制器。

　　本课题组此前设计了一种能够自动加热和加压的 IGCT 测试夹具的压力控制系统和温度控制系统。但是完整的测试夹具需要测试夹具结构和控制系统共同作用才能完成向IGCT 提供所需的测试环境。传统压力夹具由于结构简单，不具备加热、绝缘功能，无法满足 IGCT 测试所需，而且 IGCT 驱动电路与 GCT 封装管壳集成在一起体积较大，传统夹具无相关支撑结构。因此，需要专门为 IGCT 设计用测试的压力夹具

　　1.3 本文主要工作内容

　　IGCT 变温测试夹具旨在为被测 IGCT 器件提供合适的压力和温度环境，主要包含测试夹具机械结构，液压控制和温度控制系统。本文以 4 英寸 IGCT 为测试对象，门式压力结构为基础，在课题组前期研究的基础上，采用 Solid Works 软件和 ANSYS 软件，对 IGCT变温测试夹具结构进行了优化设计，设计一种能够适用于 IGCT 的自行加压、加热的变温测试夹具的结构。具体设计指标如下：

　　1.提供 40kN±4kN 的测试所需压力，2. 提供室温、85℃或 125℃的恒定温度环境，误差范围为±0.1℃3. 在加热过程中要求芯片温度分布均匀，最高温度与最低温度差不超过 0.5℃。

　　论文的章节安排如下：

　　第一章，绪论。首先概述了 IGCT 测试系统和测试夹具的研究背景和意义，然后简要阐述了国内外 IGCT 测试系统和测试夹具的发展状况，之后分析了研发 IGCT 变温测试夹具的必要性，最后给出了本文的研究内容。

　　第二章，IGCT 变温测试夹具结构设计。根据 IGCT 器件的特点及夹具的功能要求，设计了 IGCT 变温测试夹具关键结构，根据测试夹具各部分零件之间的配合关系设计了其他零件的结构及选型。

　　第三章，IGCT 变温测试夹具加热仿真分析。对 IGCT 变温测试夹具的加热能力进行仿真；分析了加热块直径、加热棒数量、间距等参数对加热时间和温度分布的影响；最后确定加热块的结构和尺寸及加热棒型号。

　　第四章，IGCT 变温测试夹具的机械应力仿真与分析。对 IGCT 变温测试夹具的结构强度进行仿真分析，提取优化后的结构参数，确定 IGCT 变温测试夹具的结构及尺寸。

　　第五章，总结。对本文工作内容进行总结和后续工作展望。

　　2 IGCT 变温测试夹具结构设计

　　2.1 IGCT 变温测试夹具分析

　　2.1.1 门式压力夹具结构及其工作原理

　　2.1.2 IGCT 变温测试夹具的设计考虑

　　2.2 上固定板的设计

　　2.2.1 上固定板整体结构设计

　　2.2.2 夹头结构设计

　　2.2.3 加热棒选型及加热块直径确定

　　2.3 活动板的设计

　　2.3.1 活动板整体结构设计

　　2.3.2 驱动电路托板设计

　　2.3.3 导套选择

　　2.4 下固定板的设计

　　2.4.1 下固定板整体结构设计

　　2.4.2 压力传感器选型

　　2.4.3 液压油缸选型

　　2.4.4 油缸至传感器转接件设计

　　2.5 本章小结

　　3 IGCT 变温测试夹具加热仿真分析

　　3.1 热分析及仿真软件介绍

　　3.1.1 热传输方式

　　3.1.2 有限元分析方法及仿真软件

　　3.1.3 仿真前处理

　　3.2 GCT 封装结构的热仿真分析

　　3.2.1 GCT 封装结构模型建立

　　3.2.2 GCT 结构模型仿真分析

　　3.3 加热块的加热仿真

　　3.3.1 加热仿真结构模型建立

　　3.3.2 加热块直径对加热效果的影响

　　3.4 加热块的结构优化

　　3.4.1 双加热棒与单加热棒加热效果对比

　　3.4.2 双加热棒间距对加热效果的影响

　　3.4.3 加热棒直径对加热效果的影响

　　3.5 双加热棒与单加热棒加热时的热机械应力分布对比

　　3.6 本章小结

　　4 IGCT 变温测试夹具的机械应力仿真与优化

　　4.1 测试夹具机械应力的仿真分析

　　4.1.1 导柱拉力分布的仿真分析

　　4.1.2 上固定板机械应力仿真分析

　　4.1.3 活动板压力分布仿真分析

　　4.1.4 下固定板压力分布的仿真分析

　　4.1.5 驱动电路托板压力分布的仿真分析

　　4.2 测试夹具结构及尺寸的确定

　　4.2.1 测试夹具结构的确定

　　4.2.2 测试夹具尺寸的确定

　　4.3 本章小结

5 总结与展望

　　5.1 总结

　　本文以 4 英寸通用型 IGCT 为测试对象，以门式压力结构为基础，设计了 IGCT 变温测试夹具结构，并采用有限元仿真软件 ANSYS 对测试夹具结构进行仿真验证，确定了夹 具各组成零件的结构和尺寸。该夹具能够为 4 英寸通用型 IGCT 提供恒定的压力和可变的稳定温度测试环境。通过研究获得以下主要结论：

　　1. 根据 IGCT 的结构特点及测试条件，以门式压力结构为基础，设计了 IGCT 变温测试夹具结构。该夹具由上、下固定板，活动板和导柱组成，可以提供最大 44kN 的压力、85℃和 125℃温度环境；夹头与夹具主体框架绝缘，最大绝缘电压能够达到 4500V 以上。

　　并且，安装于活动板上的驱动电路托板结构能够保证 IGCT 在测试过程中可靠运行。此外，与夹头相连的自适应缓冲结构能够有效防止被测器件受损，下固定板至活动板的连接结构能够保证压力传感器受力均匀并保证活动板水平运动，从而使系统拥有较高的误差容限。该变温测试夹具适合 4 英寸及以下的通用型 IGCT 测试。

　　2. 建立 GCT 封装结构模型，通过对其温度分布和热阻的仿真分析，得到热阻为8.5℃/kW,与 IGCT 数据手册参数一致，表明该模型能够正确反映 GCT 封装结构的热特性，为后续夹具的加热仿真提供了器件结构模型。建立加热块-GCT 加热仿真结构模型，通过仿真 GCT 在测试夹具上加热的情况，分析了加热块直径，加热棒数量、间距对加热时间和芯片温度分布的影响，提取了加热块优化后的结构参数。最终确定采用 2 根HLC1253 加热棒进行加热，加热棒间距为 45mm,将 GCT 芯片由室温加热至 85℃时间为2.25min,加热至 125℃时间为 3.77min,最大温差为 0.34℃，满足设计需求。最后，对比了双加热棒和单加热棒加热时的热机械应力分布。结果表明，采用双加热棒加热时温度分布更加均匀，芯片受到的热机械应力可减小 20.3%.

　　3. 在最大载荷为 88kN 的条件下，对 IGCT 变温测试夹具的机械应力分布进行仿真，提取了优化设计的结构参数。仿真结果表明，当导柱螺纹为 M20,导柱直径为 35mm 时，最大拉力出现在螺纹连接处，为 191.36MPa,低于材料抗拉强度；当上固定板厚度为 30mm时，最大压力出现在固定垫圈处，为 329.17MPa,低于材料屈服强度，最大形变出现在钢球接触点区域，为 0.29mm,形变量较小；当活动板厚度为 15mm 时，活动板最大压力出现在与传感器弧形压头接触区域，为 261.7MPa,弧形压头最大压力出现在压头与活动板接触点下方，为 277.99Mpa;当下固定板厚度为 25mm 时，最大压力出现在导柱孔处，为113.63MPa,均满足设计要求；当驱动电路托板长度为 450mm、宽度为 180mm、厚度为2mm 时，可将托板边缘因重力产生的形变减小至 0.14mm,确保长期使用的可靠性。

　　5.2 展望

　　本文完成了对 IGCT 变温测试夹具的设计，但由于时间关系，截止本文完稿，未能完成实验验证。后续工作可以将 IGCT 变温测试夹具与测试台进行整合，完成的测试系统。

致 谢

　　又是一年初夏，恍然间又想起第一次踏进教研室时，一切都是那么的陌生。如今这里的一切是这般熟悉，想起不久之后就要离开这里不仅有些怅然。回想起着三年间的生活虽然平淡但是也有不少收获，受到了不少人的帮助。在此，由衷地感谢在这三年来给予我帮助的人，庆幸能与你们相遇。

　　首先，非常感谢我的导师王彩琳教授，她严谨认真、一丝不苟的科研态度深深影响了我，她严于律己、宽以待人的处事风格深深的教育了我，老师不仅教授我专业知识，还教育我做人之道，让我受益匪浅；感谢我的企业导师许长安高工，他对工作严格的要求让我懂得勤奋学习，不断补充自己的知识。

　　其次，感谢我同级的李未末、张阳、罗琳、刘圆圆、李阿鲁以及我的室友杜岩和陈浩，有你们的存在才能让我不为处理人际关系感到焦头烂额，为我的生活增添了色彩；感谢我的师兄弟们，尤其是张琦师兄和谢峰师兄给我的科研工作给予了支持。这三年和大家在一起过的十分开心且充足。这三年也将是我这一生难忘怀念的时光。

　　感谢我的家人在这三年来对我的关心和照顾，无论出现什么状况都陪在我左右，为我排忧。

　　最后，衷心地感谢各位在百忙之中抽出时间对论文进行评审的老师们，各位的批评指正定能让我更进一步！

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