本文的作者为刘思佳、文腾、李学宝、王亮和崔翔，他们分别来自华北电力大学新能源电力系统全国重点实验室、电力规划设计总院以及北京智慧能源研究院先进输电技术国家重点实验室。该研究发表于2023年12月的《电工技术学报》第38卷第23期上。
本研究属于电力电子器件封装与绝缘技术领域。随着柔性直流输电技术的迅猛发展，高压大功率绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）已成为直流电网中各类换流和控制装备的核心部件。压接型IGBT因其失效短路、易于串联等优点，尤其适合高可靠性的电网应用。其中，弹性压接型IGBT通过引入碟形弹簧组件，能更好地均衡并联芯片间的压力，并采用有机硅凝胶作为主绝缘材料，比使用高压氮气的刚性压接型器件具有更优越的绝缘性能，因此在电网应用场景中前景广阔。然而，器件内部的绝缘问题，特别是复合绝缘结构在复杂瞬态电压工况下的电场分布与电荷积累问题，是制约其可靠性的主要挑战之一。在实际工况中，例如混合型直流断路器和高压直流换流阀中的IGBT，其工作电压并非传统的直流或交流，而是具有快速上升沿的非理想阶跃电压（单次关断工况）或正极性重复方波电压（重复性导通关断工况）。在这种瞬态电压激励下，由多种材料（如芯片硅、聚酰亚胺钝化层、有机硅凝胶、尼龙外框架等）构成的复合绝缘结构，其介质分界面会因为材料介电常数（ε）和电导率（γ）的不匹配而发生电荷积累（麦克斯韦-瓦格纳极化效应），导致局部电场畸变和加强，可能引发局部放电和绝缘击穿，最终导致器件失效。尽管已有研究对刚性压接型IGBT的瞬态电场进行了分析，但弹性压接型IGBT的内部结构和材料选择与之存在显著差异，其在实际工况下的瞬态电场特性尚不明确。因此，本研究旨在针对高压大功率弹性压接型IGBT器件，建立其封装绝缘结构在实际单次关断和重复性导通关断电压工况下的瞬态电场计算模型，系统地分析其电场与界面电荷的瞬态分布规律，并在此基础上提出有效的电场调控方法，以指导器件的绝缘优化设计，提升其运行可靠性。
本研究的工作流程主要包括以下几个详细步骤：首先是建立物理与数学模型。研究以4.5 kV弹性压接型IGBT器件中的单芯片子模组为研究对象，因其结构对称性，将三维结构简化为二维轴对称截面模型进行计算。模型精确包含了集电极、IGBT芯片（简化为硅材料）、钼片、铝片、钝化层（聚酰亚胺，PI）、有机硅凝胶、尼龙6外框架等多种材料。研究明确了两种实际电压工况的数学表达：单次关断工况下为上升时间tr=5 μs、幅值Um=4500 V的非理想阶跃电压；重复性导通关断工况下为幅值相同、占空比0.5、频率1 Hz、上升/下降时间同为5 μs的正极性重复方波电压。根据电准静态场假设，建立了以标量电位φ为变量的瞬态电场控制方程，并设定了相应的初值（初始电位为0）和边值条件（高压电极施加时变电压u(t)，低压电极接地，对称轴及外边界为电场法向分量为零的齐次边界）。模型中所有材料的相对介电常数和电导率均来自实测数据或权威文献。
其次是采用先进的数值计算方法进行求解。本研究采用了课题组前期发展的“时域边界电场约束方程法”进行瞬态电场计算。该方法基于有限元法和加权余量法，通过拉格朗日乘子法处理边界条件，推导出对应的弱形式方程。其核心创新在于对控制方程进行空间（有限元）和时间（后向欧拉法，以避免数值振荡）离散后，通过对场域节点重新排序，将大型时域有限元方程组巧妙地分解为两个方程（公式3和4），分别独立求解每个时间步的节点电位φ和边界上的电场强度法向分量En。这种方法能够直接、精确地计算出介质分界面上的电场法向分量，进而通过公式5（σ = ε₂E₂n - ε₁E₁n）准确计算界面累积的电荷密度σ，这对于分析界面电荷效应至关重要。计算区域采用一阶线性三角形单元剖分。对于单次关断工况，计算总时长为2500秒，初始时间步对应关断过程结束时刻（t=5 μs），后续采用较大步长（1秒）计算至稳态。对于重复性导通关断工况，每个电压周期选取四个特征时刻（关断过程末、关断状态末、导通过程末、导通状态末）进行计算，总共计算2500个周期，以观察多周期下的电荷积累与电场演化过程。
接下来是系统性地分析两种工况下的瞬态结果。研究首先选取芯片/PI界面上的一个特定点，绘制其电场强度和界面电荷密度随时间的变化曲线，从宏观上揭示瞬态过程的基本物理现象。然后，通过提取不同时刻整个子模组截面的电场分布云图，直观展示电场强度空间分布的演变情况。特别地，研究追踪了全模型中最大电场强度的模值及其出现位置随时间（或周期数）的变化轨迹，并详细绘制了关键介质分界面（芯片/PI界面、PI/硅凝胶界面）上的电荷密度分布随时间的演化过程。这些分析分别从点、面、全局极值和界面特性等多个维度，全面揭示了瞬态电场的复杂行为。
最后是基于机理分析提出调控方法并验证。针对分析中发现的因材料参数不匹配导致界面电荷积累、电场增强的核心问题，研究提出了通过改进钝化层材料以提高与芯片材料参数匹配度的电场调控思路。具体地，选用介电常数和电导率均比PI更高的氮氧化硅（SiOxNy）材料替代原有的PI作为钝化层。重新建立计算模型，保持其他所有条件（结构、工况、材料参数、计算方法）不变，再次进行单次关断工况下的瞬态电场计算。通过对比改进材料前后，在相同时刻（t=2500 s）的界面电荷密度分布、电场分布云图以及最大电场强度模值，定量评估所提调控方法的有效性。
本研究取得了以下主要结果：首先，在瞬态特性规律方面，研究证实了在两种工况下，子模组内的介质分界面均存在显著的电荷聚集现象，且电荷密度和电场强度随时间逐渐增大并趋于稳定。在重复性导通关断工况下，界面电荷在一个周期内呈现动态积累与消散的三角波形，但由于净积累不为零，电荷会随周期数增加而逐渐累积；即使在导通状态外施电压为零时，残留的界面电荷也会在器件内部维持一定的电场，这是静电场分析无法揭示的重要现象。其次，在关键位置与风险判断方面，研究发现无论何种工况，子模组内的最大电场强度始终出现在芯片/PI钝化层界面上。在单次关断工况下，最大电场强度的模值更大，且其出现的位置会随时间从芯片/镀铝层/PI三结合点处逐渐向芯片边缘方向移动，表现出更强的时变性和不确定性。通过对比，芯片/PI界面上相同位置的电荷密度大小顺序为：单次关断工况 > 重复性导通关断工况的关断状态末 > 其导通状态末。这直接导致了最大电场强度也遵循同样的顺序，从而表明处于单次关断工况的弹性压接型IGBT器件发生绝缘问题的风险更高，在设计时需要给予特别关注。这些详细的时-空演变结果（如图5-11所示）为理解瞬态绝缘失效机制提供了关键数据。最后，在调控方法验证方面，采用氮氧化硅替代PI作为钝化层后，仿真计算取得了显著效果。在单次关断工况稳态时（t=2500 s），芯片/钝化层界面上的电荷密度下降了约三个数量级。更重要的是，最大电场强度的模值相比使用PI材料时降低了42.7%，且其出现位置稳定在三结合点处，不再随时间发生漂移。这一结果完美验证了通过提高界面两侧材料参数（ε/γ）匹配度来抑制电荷积累、从而均匀化电场、降低最大场强的理论设想。所有结果层层递进：从现象观测（电荷积累、电场增强）到机理定位（芯片/PI界面是关键薄弱点），再到风险量化（单次关断工况更危险），最终导向解决方案（材料参数匹配），逻辑严密，构成了一个完整的研究闭环。
本研究的结论可归纳为以下三点：第一，揭示了弹性压接型IGBT子模组在瞬态电压下界面电荷积累导致电场局部增强的普遍规律，并明确指出重复性导通关断工况下导通状态时器件内部仍存在由电荷维持的电场。第二，确定了芯片/PI钝化层界面是电场最集中、绝缘风险最高的区域，并量化比较出单次关断工况对器件绝缘性能的挑战更为严峻。第三，提出并验证了通过选用氮氧化硅等高电导率钝化层材料以提高与芯片参数匹配度的方法，可有效降低界面电荷积累，使器件内部最大电场强度大幅降低42.7%，为封装绝缘结构的优化提供了一种行之有效的技术途径。
本研究具有重要的科学与应用价值。在科学层面，它首次系统地揭示了弹性压接型IGBT这一特定结构在实际复杂瞬态工况下的电场与电荷演化规律，深化了对多层复合绝缘系统瞬态介电行为的理解，特别是界面电荷动力学对电场分布的影响机制。在应用层面，研究建立的精确仿真模型和“时域边界电场约束方程法”为高压电力电子器件的绝缘设计提供了强大的分析工具。研究结论直接指导工程师在器件设计中重点关注芯片钝化层界面，并根据具体应用工况（尤其是单次关断工况）采取针对性的绝缘强化措施。所提出的材料匹配优化方法，为提升弹性压接型IGBT的长期运行可靠性和绝缘寿命指明了具体、可行的工程优化方向，对支撑柔性直流输电装备的自主化研制与安全稳定运行具有重要意义。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：首先，在研究对象上，聚焦于电网应用前景广阔但绝缘特性尚未明晰的弹性压接型IGBT，具有明确的工程针对性和前沿性。其次，在研究方法上，采用了先进的“时域边界电场约束方程法”，该方法能直接、高精度地求解界面电场和电荷，是获得可靠结论的关键技术保障，体现了方法的创新性与优越性。再次，在研究视角上，紧密结合IGBT在直流断路器和换流阀中的真实工作波形（非理想阶跃波和重复方波）进行瞬态分析，而非传统的静态或准静态分析，使研究成果更能反映实际运行应力，结论的工程指导价值更高。最后，在研究深度上，不仅完成了现象描述和风险定位，还深入机理，提出了基于材料参数匹配的物理调控方法，并通过仿真验证了其显著效果，实现了从“分析问题”到“解决问题”的跨越。
此外，文中对计算模型边界条件的精细处理（如区分芯片导通与关断状态的不同边界）、对多种绝缘材料实测参数的采用、以及对最大电场强度位置动态转移现象的捕捉与解释，都体现了研究工作的细致与深入，共同支撑了研究结论的可靠性与完整性。