仪器护航冬奥清洁能源供电

——华北电力大学功率器件可靠性团队   邓二平 博士

“张北一场风，从春刮到冬，张北的风，点亮北京的灯”，讲述的是我国 2020 年投运的张北柔直工程为2022年北京冬奥会实现世界首次100%清洁能源输送，为北京冬奥会的顺利召开提供可靠绿色能源。张北柔直工程是当时世界上电压等级最高(±500kV)、输送容量最大(9000MW)的清洁能源低碳发展的重大工程，也是服务绿色冬奥的“涉奥六大工程”之一。柔直换流阀(3000MW)和直流断路器(±500kV)是张北柔直工程获得的国际首创的核心技术和关键设备，而4500V3000A压接型IGBT器件作为核心中的核“芯”成为整个工程关键。IGBT器件是所有电能转换和控制保护的核心元件，其运行可靠性，尤其是长期运行可靠性和状态评估关系着整个工程的可靠性和冬奥会的用电安全。

张北柔直工程用 4500V3000A 压接型 IGBT 器件是当时乃至现在世界上功率最大的器件，还缺少实际工程应用经验和长期可靠性的评估和验证。国内在大功率的可靠性测试设备和测试技术领域更是空白，需要重点突破以下几个方面：1）压接型 IGBT 器件特殊参数的实时在线监测和分析，压接型 IGBT 器件属于新型封装，存在所有前所未有的技术难题；2）测试效率和测试精度，对于柔直工程用器件，可靠性和精度要求高，测试数量要求多，如果测试效率不能提高(如国外设备单次只能1只器件)，将大大增加测试评估时间成本和设备成本；3）设备大容量和高可靠性，可靠性测试设备第一关键要满足参数和功能测试需求，如 3000A 以上的测试能力，第二关键是设备自身的强可靠性。

华北电力大学功率器件可靠性团队在国家级人才黄永章教授的带领下，2013 年开始从事国产高压大功率压接型 IGBT 器件的封装研究，为器件的国产化奠定了一定的理论基础。为实现对国产压接型 IGBT 器件的可靠性评估和填补空白，2016 年初开始与国际半导体专家德国开姆尼茨工业大学 Josef Lutz 教授团队合作进行功率器件的可靠性研究，特别是压接型 IGBT 器件功率循环测试方法、测试技术和测试装备的研制。2017年底，邓二平博士带领团队研究生在新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)建设了国内高校首家高压大功率器件可靠性实验室，包括直接服务于张北工程用 4500V3000A 压接型 IGBT 器件的 90kW3000A 功率循环测试装备、10 kV/200ºC高温反偏和 200 V/180 ºC高温栅偏测试装备等，填补了国内空白。下图1为 90kW 3000A 功率循环测试装备，是当时世界上功率最大、测试效率最高、功能最全的功率循环测试装备。

(a) 装备总览

(b) 压接型IGBT器件测试夹具

图1 华北电力大学功率器件可靠性团队研制的90kW3000A功率循环测试装备

结合张北柔直工程的测试需求，此装备的核心创新点包括：1）在传统单条测试支路的基础上，增加了多条测试支路和辅助支路，提高了测试装备的测量精度和测试效率。通过辅助支路的调节，可同时完成不同测试条件的实验，比如通过辅助支路分指定测试支路分流等；2）可同时或分别测试焊接式 IGBT 模块和压接型IGBT器件，最大测试通道为12个，而且每个通道的测试能力均为 3000A，极大的提高了整体测试效率；3）功率循环周期为秒级，极限测试能力可达到 300ms/周期，可根据特定工况进行指定条件下的功率循环条件考核，为柔直工程奠定基础；4）设置了四个关键测量时序，实时监测待测器件的通态压降、结温和热阻等关键老化参数，可自动进行失效模式的分析；5）独特的水路设计，外循环水-内循环水-散热器-被测器件的协同优化设计，可实现内水 15ºC~80ºC 任意调节，且每个被测器件的流速和温度可独立调节，大大提高测试能力的多样性和散热效率。

本团队研制的功率循环测试装备为张北工程用 4500V3000A 压接型 IGBT 器件提供了系列可靠性测试，尤其是功率循环和热阻测试，为器件可靠性评估提供了设备和方法基础。功率循环测试和热阻测试主要为换流阀用压接型IGBT器件的设计和可靠性评估提供依据；热阻测试则为直流断路器件用压接型IGBT器件的设计奠定实则数据基础。比如，同时对ABB、TOSHIBA和中车的器件进行对比测试，通过辅助支路的调节可实现不同厂家不同器件特性的器件在同一温度条件下同步测试，大大提高了测试效率和公正性，下图2为测试电路图。此测试装备还可通过转接头同步实现焊接式IGBT模块的功率循环高效率测试。

(a) 测试电路示意图，3条测试支路+1条辅助支路实现功能多样化

(b) 压接型IGBT器件测试夹具

图2 不同厂家4500V3000A压接型IGBT器件功率循环测试

为了进一步提升此功率循环测试装备的测试水平和测试能力，2021年团队在原有技术的基础上对整个回路进行更为精细化的设计，设备信噪比再次提升 10dB 以上。同时，还集成了团队具有独创性的世界首个多芯片结温分布测量系统，可以在功率循环过程中对每颗芯片的状态进行实时监测，如下图3所示。这些新技术和测试回路的升级，为未来更多的柔直工程用压接型IGBT器件提供先进的测试和分析，如半导体行业巨头企业德国Infineon，日本TOSHIBA和南瑞联研半导体有限公司等的 4500V3000A 压接型 IGBT 器件的结温分布和可靠性评估分析。这些压接型 IGBT 器件将进一步应用到我国更先进的柔直工程中。

(a) 升级后第二代90kW3000A功率循环测试装备

(b) 压接型IGBT器件结温分布测试，世界首次

图3 升级后的90kW3000A功率循环测试装备，结温测量精度达±0.1ºC

冬奥会作为一项世界瞩目的体育盛事，体现的是一个主办国方方面面的实力和科技水平，离不开所有科研人员的辛勤付出，也正是这样的机会，能进一步推动和促进我国科技水平的提升。华北电力大学功率器件可靠性团队科研人员很荣幸能参与其中一项细小的工作，并提供相应的测试技术，为我国柔直工程的发展和国家科技进步贡献自己微薄的力量。团队在此技术的基础上，结合我国能源行业发展的需求，进一步研制了系列功率循环测试装备(100A, 250A, 500A, 750A, 1000A, 1500A, 2000A, 3000A)，如下图4所示，相应的测试技术广泛服务于我国的电网、高铁、电动汽车和工业应用各领域，如中国铁科院、株洲中车时代半导体等公司。

图4 团队产业化后的标准功率循环测试装备，1500A+6个测试通道

服务于冬奥会所建设的张北柔直工程使得我国柔性直流输电技术得到了进一步大力发展和成熟，国内拟建设更多的柔直工程，并提出了4500V5000A压接型IGBT器件的需求。国外半导体企业Infineon、ABB和Toshiba均相继推出了4500V5000A器件，以望抢占中国市场。可喜的是，株洲中车时代半导体有限公司也推出了具有我国自主知识产权的4500V5000A压接型IGBT器件，而此前的 4500V3000A 压接型 IGBT 器件也己成功应用到我国柔直工程。南瑞联研半导体有限公司作为后起之秀也即将推出同等级的器件，以期打破国外的市场垄断和技术封锁。而国内并没有能满足其可靠性评估的功率循环测试装备，华北电力大学器件可靠性团队2022年也筹划研制6个测试通道的120kW6000A功率循环测试装备，以期填补国内空白和提供行业亟需的测试技术，下图5为初步设计的 6000A 功率循环测试装备结构示意图。

图5 团队初步设计的6000A功率循环测试装备，4500V5000A压接型IGBT器件专用