压接IGBT器件并联子模组热阻分布实验研究

在刚性压接型IGBT模块中,并联芯片的压力分布直接决定了接触热阻和接触电阻的大小。通常无法测量器件正常工作时的压力分布及其引起的热阻分布。为了分析压接IGBT模块内部各子模组的压力分布情况和热阻分布情况,提出一种利用器件特性和热阻实验测量压接IGBT模块并联子模组热阻分布的方法。在此方法基础上,详细研究不同压力和电流条件下的热阻分布。实验结果表明,由于外部压力、器件特性和连接导体的差异,压接IGBT模块内部并联子模组间的结温、电流和热阻分布具有很大的分散性。提出的测量方法可以有效验证压接IGBT模块在一定封装条件下的结温、热阻和压力分布特性。     

压接IGBT器件并联子模组热阻分布实验研究

在刚性压接型IGBT模块中,并联芯片的压力分布直接决定了接触热阻和接触电阻的大小。通常无法测量器件正常工作时的压力分布及其引起的热阻分布。为了分析压接IGBT模块内部各子模组的压力分布情况和热阻分布情况,提出一种利用器件特性和热阻实验测量压接IGBT模块并联子模组热阻分布的方法。在此方法基础上,详细研究不同压力和电流条件下的热阻分布。实验结果表明,由于外部压力、器件特性和连接导体的差异,压接IGBT模块内部并联子模组间的结温、电流和热阻分布具有很大的分散性。提出的测量方法可以有效验证压接IGBT模块在一定封装条件下的结温、热阻和压力分布特性。     

外部汇流母排对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流特性的影响

压接型IGBT器件内部芯片之间的动态均流特性直接影响着IGBT器件的坚固性与可靠性。考虑到并联均流实验的困难,现有的压接型IGBT芯片级并联均流研究通常都是通过提取器件内部封装结构的寄生参数,并结合IGBT芯片的等效电路模型,在电路仿真环境中开展的,不考虑器件外部电磁条件对器件内部电流分布的影响。然而,该文通过9枚压接型IGBT芯片的并联均流实验发现,各个通流支路之间存在显著的动态电流不均衡,而且电流的分布特性不仅与内部并联芯片的相对位置有关,还与连接器件的外部汇流母排存在明显的关联。为了揭示器件内部电流分布特性与外部汇流母排之间的耦合关系,该文对被测器件与外部汇流母排进行三维有限元建模,从频域和时域2个方面,计算IGBT器件内部的电磁场分布特性。频域计算表明,由于外部汇流母排与内部并联芯片存在磁场耦合(即电感耦合),当频率超过一定数值后,外部汇流母排会对各个通流支路的电流产生显著影响。时域计算进一步再现了并联均流实验中外部汇流母排对各个通流支路上动态电流分布的影响规律。结果表明,在压接型IGBT器件的设计和应用中,不仅需要关注器件内部芯片间的相对位置对动态均流特性的影响,同时也要关注外部汇流母排引入的电磁不对称性。最后提出一种对称化的母排设计方案,并通过三维有限元计算,证实对称化母排设计可明显改善器件内部的动态均流特性。     

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件 可靠性建模与分析

大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况,必然对压接型绝缘栅极晶体管（IGBT）器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法,首先,建立单芯片压接型IGBT器件电-热-机械多物理场仿真模型,通过实验验证IGBT仿真模型的有效性;其次,考虑器件内部各层材料的疲劳寿命,建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型,分析了单芯片器件各层材料薄弱点;最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构,建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型,分析器件应力分布,并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明,压接型IGBT器件内部的温度、von Mises 应力分布不均,最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘;多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异,边角位置处芯片表面应力最大,可靠性最低。     

压接型IGBT器件接触电阻计算及影响因素分析

压接型IGBT器件封装材料间的接触电阻大小及分布规律直接影响其电热分布特性与运行可靠性,然而现有接触电阻计算的方法大都依赖于半经验模型,未能考虑表面形貌参数影响,难以准确表征,该文提出考虑材料表面形貌参数及接触压力影响的压接型IGBT器件接触电阻模型及影响规律研究。首先,基于电接触理论,建立考虑材料电阻率、接触面接触压力、粗糙度及微硬度参数的接触电阻数学模型。其次,通过分析材料表面特性选定接触电阻模型参数,建立单芯片压接型IGBT器件有限元仿真模型计算接触压力,获取器件内部接触电阻分布规律,并通过器件导通电阻测量,间接验证所建接触电阻模型的有效性。最后,分析接触压力、芯片电阻率及表面粗糙度对压接型IGBT器件接触电阻的影响规律。结果表明,相对COMSOL软件内置模型,所建接触电阻模型可更加准确地表征器件内部接触电阻变化规律。相比其他接触面,芯片与钼片间的接触电阻最大,且当接触压力较小时,接触电阻受电阻率、粗糙度及压力的影响更明显。     

压接型IGBT的接触热阻模型优化与热特性研究

压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)内部存在多层接触界面,为研究界面间接触热阻对器件整体热特性的影响,建立了考虑接触热阻的压接型IGBT热仿真模型。通过建立压接型IGBT器件结构场模型计算器件内各接触层的接触压力分布,使用Bahrami塑性接触热阻模型计算微接触热导;通过测量不同流速时器件结到环境的瞬态热阻抗曲线,验证了热仿真模型;并以该模型为基础,研究了压装力对器件热特性的影响。压装力为70 kN时,压接型IGBT器件内接触热阻占器件热阻的24%;器件压装力增大会使界面上接触热阻减小,器件整体热阻降低,且热阻变化量也会降低;器件在其标定压装力范围(60～90kN)内,器件热阻值变化在0.8%以内。     

柔直换流阀用压接式IGBT器件物理场建模及内部压强分析

压接式IGBT器件是柔性直流换流阀的核心,器件内部压强分布直接影响器件及系统可靠性,而内部压强又受各种材料及复合应力相互耦合作用,针对不同应力耦合效果及其对内部压强的影响,进行压接式IGBT器件物理场模型仿真以及器件内部最大压强分布趋势的研究。首先,基于3.3 kV/50 A压接式IGBT器件实际结构,建立了多物理场模型,分析了机械、机-热和机-热-电不同耦合模型下器件内部压强分布的差异,并获取了器件承受内部最大压强的薄弱环节及各种内部应力作用的耦合效果。然后,基于机-热-电耦合模型,分析了不同环境温度、外部压力、导通电流对压接式IGBT器件内部薄弱层最大压强及性能的影响。最后,建立了压接式IGBT器件功率循环平台,通过恒导通工况和功率循环实验验证了机-热-电耦合模型的有效性和薄弱层分析的合理性。研究结果表明,机-热-电耦合模型能更好地表征压接式IGBT器件多应力耦合作用效果,内部最大压强的薄弱环节为IGBT芯片与发射极钼层间,且内部最大压强随环境温度、外加压力和导通电流的增加而增加。     

压接型IGBT芯片动态特性实验平台设计与实现

压接型IGBT芯片在正常的运行工况下承受着电-热-力多物理量的综合作用,研究电-热-力影响下的IGBT芯片动态特性对于指导IGBT芯片建模以及规模化IGBT并联封装设计具有重要意义.为了全面获得电-热-力综合影响下压接型IGBT芯片的动态特性,该文结合双脉冲测试电路原理,研制出具备电-热-力灵活调节的压接型IGBT芯片动态特性实验平台.通过对动态特性实验平台关键问题进行有限元仿真计算,实现平台回路寄生电感、IGBT芯片表面压力分布及机械夹具温度分布的优化设计.在此基础上建立压接型IGBT芯片动态特性实验平台,对实验平台进行综合调试,结果表明,该文所设计的实验平台具有寄生电感小、IGBT芯片表面压力分布均衡及机械夹具各组件温度分布合理的特点,可以满足电-热-力综合影响因素下压接型IGBT芯片动态特性实验的需求.     

不同封装形式压接型IGBT器件的电-热应力研究

基于多物理场建模对比分析全压接和银烧结封装压接型IGBT器件的电-热应力。首先根据全压接和银烧结封装压接型IGBT的实际结构和材料属性,建立3.3 kV/50 A压接型IGBT器件的电-热-力多耦合场有限元模型;其次仿真分析额定工况下2种封装IGBT器件的电-热性能,并通过实验平台验证所建模型的合理性;然后研究了3.3 kV/1 500 A多芯片压接型IGBT模块的电-热应力,并探究了不同封装压接型IGBT器件电-热应力存在差异的原因;最后比较了2种封装压接型IGBT器件内部的电-热应力随夹具压力和导通电流变化的规律。结果表明银烧结封装降低了压接型IGBT器件的导通压降和结温,提升了器件散热能力;但银烧结封装也增大了IGBT芯片表面的机械应力,应力增大对IGBT器件疲劳失效的影响亟需实验验证。     

纳米银烧结压接封装IGBT的长期可靠性研究

高压大功率压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)器件是柔性直流输电系统大容量换流阀的关键部件,其可靠性直接影响电力装备和输电系统的安全稳定运行。压接结构导致IGBT器件组件界面间电热接触性能不佳,研究人员利用纳米银焊膏开发出烧结封装IGBT以期克服对应问题,但其长期可靠性尚未得到验证。该文以国产3.3k V/50A单芯片银烧结压接封装IGBT器件为研究对象,建立直流加速老化实验平台以考核银烧结封装对国产压接IGBT器件的长期可靠性影响。然后,开展国产压接封装IGBT的功率循环加速老化实验,分析烧结封装IGBT器件的失效结果并与全压力封装IGBT器件实验结果进行对比。最后,分析烧结封装IGBT纳米银焊料熔融的原因并探究IGBT器件失效瞬间导通电压急剧上升的原因,获取银烧结压接封装IGBT器件的性能优势及潜在缺陷。实验结果表明,银烧结封装可以降低压接型IGBT器件的导通电压和通态损耗,减缓IGBT芯片与发射极钼层间的接触磨损,提升器件使用寿命。     

电触头电阻点焊过程的有限元模拟分析

建立了电触头电阻点焊过程的有限元分析模型,计算获得接触界面的接触电阻以及施加边界条件。通过对电触头点焊过程的模拟,获得了熔核的温度场及焊接面的电流密度分布。同时,探讨了焊接工艺对电极温度场及热应力的影响,发现延长焊接时间可在一定程度上降低热应力。     

不同结构压接型IGBT器件压力分布对比

柔性直流输电技术的不断发展对应用在柔性直流输电系统中的绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件提出了更多的要求。压接型IGBT器件因符合柔性直流输电系统等领域高电压、大电流以及高功率密度的发展需求而得到重视,易于串联的特性使其非常适用于高压应用领域。目前以WESTCODE、TOSHIBA公司为代表的凸台式封装结构和以ABB公司为代表的弹簧式封装结构的2种压接型IGBT器件已成功应用到柔性直流输电工程中。基于有限元法建立了2种压接型IGBT器件的仿真模型,分别针对器件2种不同工况（正常加压未工作和正常工作状态）对比分析了其内部的压力分布。仿真结果表明,2种结构的压接型IGBT器件在正常加压状态下压力分布均比较均匀,由于弹簧结构的存在使得弹簧式压接型IGBT器件在正常工作状态下压力分布更为均匀。最后基于仿真分析,对压接型IGBT器件的结构优化提出了可能的解决方案。     

密封电磁继电器接触系统机电热耦合仿真分析

密封电磁继电器耐受恶劣工作环境能力突出,在航天工程等可靠性要求高的领域广泛应用。其接触系统的稳态温度场分析是产品可靠性设计中的关键环节之一。本文在建立了接触半径计算和热电耦合计算的数学模型的基础上,通过有限元软件应用机-电-热耦合分析的方法对接触系统进行仿真分析,实现了触点接触电阻引起的发热量的精确计算,得到了接触系统的热场分布及电流密度分布的准确计算结果,为接触系统的可靠性优化设计打下了坚实的基础。     

多芯片组件基板的热效应分析

针对大功率多芯片模块,建立了简化传热模型,利用有限元数值方法,对其热阻和温度场进行了稳态和瞬态分析.模拟结果表明:模块的散热方式以热传导为主.由芯片到外壳底面的热通路为主要散热途径,采用导热性能好的基板是非常有效的散热方案:绝缘层热阻占整个基板热阻的65%;模块设计时要尽量减小功率互连引线的寄生电感和电阻.合理安排功率管芯位置,要求布线尽量短而宽.多个功率芯片要尽量均匀分布于基板上,以此降低结温,避免热集中现象.     

阀厅金具大电流温升试验及仿真计算

随着直流输电容量的不断提升,对阀厅金具通流容量,载流的可靠性、耐热性提出了更高的要求。在直流输电工程中,阀厅金具承担着电力设备的电气连接、机械固定及均压屏蔽的作用。其运行电流大、工作电压高、散热条件较差,因此研究容量提升后现有阀厅金具的运行可靠性十分必要。以2种阀厅典型金具为研究对象,应用等效圆柱体模拟接触电阻,以及电-热耦合方法对金具温度场进行了有限元仿真计算,同时进行了大电流温升试验,使用红外热像仪等设备测量分析了铝排、绞线的分流不均现象,以及焊接、螺栓连接处的局部过热现象。大电流温升试验及仿真分析表明：在电流为5.62 kA时,试品金具存在局部过热及分流不均的现象,仿真结果与试验吻合。     

触头间电动斥力的三维有限元分析

触头间电动斥力的大小对于开关电器的设计是很重要的。基于电流-磁场-电动斥力之间关系的方程,应用三维有限元分析,引入圆柱导电桥模型作为接触点模拟触头间的电流收缩,从而计算出作用在触头上的电动斥力。结果表明,电动斥力与导电斑点情况和触头形状有很大关系,同时,利用这种方法计算电动斥力是有效的。     

PEM燃料电池性能损耗的多场耦合仿真分析

燃料电池性能受到诸多因素的影响,涉及到温度、湿度、力和电化学等多种物理场,其性能损耗是多物理场耦合作用的结果,而目前大多数的仿真研究没有全面考虑这些因素,并不能准确反映PEM燃料电池实际工作条件下的性能。基于有限元理论,建立质子交换膜燃料电池性能的多物理场模型,同时考虑装配紧固力对燃料电池的变形影响,模拟了在不同装配紧固力下燃料电池电流密度分布、内部气体压力及水分布情况,分析装配紧固力对燃料电池性能的影响及燃料电池变形后接触电阻的变化,为今后PEM燃料电池多场耦合模型的性能影响参数优化研究提供基础。     

基于电接触元件暂态热路建模的接触电阻测量研究

目前,接触电阻的检测主要是电压电流法或电桥法,其不足是仅适于离线应用。提出了一种在线式的接触电阻间接测量新方法。首先在建立电接触元件的理论物理模型和径向暂态热路分析模型的基础上,推导出热路响应方程;然后再在建立元件轴向热传导数值分析模型的基础上,最终推导出计及温度和电流的接触电阻曲线关系,提出通过曲线的时间常数计算电接触元件的接触电阻。大量的理论分析、计算与有限元分析ANSYS仿真表明,所研究的测量方法可以准确求取接触电阻的值,为电气设备的在线监测和热缺陷分析提供了理论依据。     

Finite element modeling of the neuron-electrode interface

The electrical contact between an embedded microelectrode and a cultured neuron depends on the geometry of the neuron-electrode interface. The contact is improved when the electrode is covered, or sealed, completely by the neuron. In this article, the finite element method is proposed as a tool for modeling the electrical properties of the neuron-electrode interface. This method permits numerical solutions of volume conductor problems for a variety of geometries, without prior restriction of the current paths. Simulations are focused on the influence of the geometry on the transfer of an extracellularly applied stimulus current to the neuron and on the sealing resistance. A comparison is also made between finite element modeling and lumped circuit modeling. In conclusion, finite element analysis is a valuable tool for studying and optimizing the neuron-electrode contact.     

Examination of Eddy Current between Steel Sheets without Insulation and a Criterion for Determining the Necessity of Insulation

In the laminated core of transformers, motors, and so on, each electrical steel sheet is usually insulated in order to reduce the eddy current loss. It has been reported that insulation is not necessary in such a laminated core under some conditions. However, few studies have been performed in the form of a quantitative and systematic examination of the relationship between the insulation and eddy current. In this study, the eddy current losses of a core made of SPCC (cold rolled steel sheets) of different widths with and without insulation under various conditions are analyzed using the finite element method (FEM) and with the contact resistance taken into consideration. The equivalent circuit of a laminated core without insulation is presented, and can be used for determining the necessity of insulation. It is shown that the increase in the eddy current is affected by the ratio of the resistance of the steel to the contact resistance. An experimental investigation is also carried out.