基于钎焊技术的大功率PEBB散热器性能分析

针对大功率电力电子积木模块(PEBB)功率密度与散热之间的矛盾,提出了一种基于真空钎焊技术的散热器技术方案。首先,通过建立PEBB的功率耗散模型,定量计算出PEBB功率损耗值。然后,通过建立PEBB的热阻抗模型,结合PEBB功率损耗,定量估算出PEBB结温、壳温及散热器自身温升等重要指标参数,从而为真空钎焊散热器设计提供了理论依据。最后,通过flotherm软件仿真并搭建原理样机进行实验验证,实验结果与理论分析值基本吻合,从而证实了该真空钎焊散热器是一种适合于大功率开关器件的较为理想的散热器。     

兆瓦级脉冲间歇整流装置热分析

脉冲间歇整流装置多适用于短时大功率脉冲工作的应用场合,采用功率二极管或晶闸管作为其主功率器件。该装置在运行过程中产生的功率损耗将显著抬升器件结温,需合理设计散热系统以确保装置安全可靠运行,但针对该类装置的热分析方法却鲜见报道。以某型兆瓦级脉冲间歇整流装置为例,基于热电比拟关系,综合运用流体分析、暂态热分析、曲线拟合等手段,从功率单元热参数提取、换热器模型建立、热源计算等方面递进地为该装置进行热分析,建立全局热阻抗网络。所提出的全局热阻抗网络模型可对不同工况下器件结温、散热器温度等进行预测,装置出厂试验结果证明了该模型的有效性。     

功率模块压接型IGBT温度循环试验热负载施加方法

温度循环试验是研究功率模块压接型绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）特性的重要试验手段。为此,以柔直换流阀功率模块压接型IGBT为研究对象,结合理论计算与有限元仿真分析,提出了温度循环试验热负载施加方法,并获得相应的电输入目标参数。搭建了温度循环试验平台,对器件温度进行实时监测,综合对比分析功率模块受试IGBT器件的结温、壳温、散热器测温点温度数据。通过仿真结果验证了所提方法的有效性,可为同类型压接IGBT试验提供研究思路。     

基于内置温度传感器的碳化硅功率模块结温在线提取方法

碳化硅(SiC)MOSFET具有耐压高、开关速度快、导通损耗低等优点,将越来越广泛地应用于高效、高功率密度场合.在这些应用场合中,SiC MOSFET面临着严峻的可靠性考验,而结温的在线准确提取是实现器件寿命预测和可靠性评估的重要基础.该文提出一种基于功率模块内置负温度系数(NTC)温度传感器的器件结温在线提取方法.首先建立考虑多芯片热耦合效应的内置温度传感器至功率芯片的热网络模型,并建立SiC MOSFET的损耗快速计算方法;通过有限元仿真提取热网络模型的阻抗参数,并验证该热网络参数在不同边界条件下的稳定性.仿真和实验结果表明,所提出的结温在线估计方法能够准确地获得器件的动态结温,且热网络模型参数不受环境温度、散热条件等边界条件变化的影响,适用于实际任务剖面下的结温监测与寿命预测.     

MMC-HVDC系统功率器件的结温估算研究

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,包含数量庞大的半桥功率模块,此处提出了一种功率模块器件的损耗与结温估算方法.首先研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,并根据功率模块内含绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管、散热器的布局,建立功率器件级的热阻模型.然后,由于IGBT为密封器件,无法直接测量器件内部温度,通过测量与之压接相连散热器的表面壳温来间接推导器件结温.最后,开展了功率模块的加载实验工作,所述结温估算方法的仿真与实验结果基本一致.     

用于IGBT模块结温预测的热-电耦合模型研究

随着IGBT模块功率等级及密度的提高,因功率损耗而导致芯片温升加剧进而导致变流系统崩溃的问题愈发突出。对功率器件及散热系统的深入研究有助于功率器件封装设计、器件选型、系统布局以及逆变器的可靠运行。本文通过有限元分析方法对IGBT模块和散热系统的瞬态热阻抗进行了提取,所得结果与厂商数据手册吻合,而且通过所用方法验证了热阻抗曲线的普适性,最后利用热特性RC等效网络建立热-电耦合模型,可对芯片动态结温进行预测。     

基于有限元法的高频开关电源PCB热仿真研究

为提高电源工作的可靠性,论文提出通过安装热管散热器的办法来降低高频开关电源PCB的节点温度。基于有限元方法建立了热管模型以及高频开关电源PCB模型,对热管管径以及安装两种散热器的高频开关电源PCB进行热仿真分析。热分析结果表明：在一定功率范围内,管径越大,散热器散热效果越好：安装热管散热器的高频开关电源PCB上器件温度明显低于安装传统散热器,最大温差达到33℃.实际中在不考虑强迫风冷散热设计时可以对PCB进行优化,以及采用热管散热器对高频开关电源进行有效散热。     

IGBT功率模块热网络模型建立及其 参数辨识方法综述和展望

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率变流器的核心器件,其可靠性受到广泛重视。而结温过高或者温度波动过高是导致功率器件失效的主要因素,故实时精确地监测IGBT模块结温对于提高其可靠性具有重要意义。通过建立热网络模型,然后对其电路进行仿真可获取结温,该方法因简单易行且可实现对结温的在线监测从而得到广泛应用。对现有的热网络模型进行了总结和归纳,并根据模型结构将其分为一维、二维和三维三类。然后,对近年来热网络模型的参数辨识方法的研究情况进行探讨,并对各个方法进行了比较和评价。在此基础上,对未来新的热网络模型和模型参数辨识方法的研究方向进行了展望。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

功率IGBT模块热网络参数提取研究综述

功率IGBT模块热网络参数与IGBT的可靠性密切相关。介绍了Foster热网络和Cauer热网络参数的获取方法。Foster热网络参数通过瞬态热阻抗曲线的指数级拟合得到,根据获得瞬态额阻抗曲线方式的不同,又可以分为直接测温法、有限元法、温敏参数法和双界面瞬态测量法;Cauer热网络参数除了利用瞬态热阻抗曲线拟合方式得到,还可以根据器件的封装结构计算获得。探讨了现阶段热网络参数获取存在的主要问题,指出根据IGBT功率器件在正常运行过程中的相关测量,对热网络参数直接进行在线识别,可减少因热网络参数测量而造成的损失,对于结温的实时估测和寿命预测至关重要。     

一种应用于柔性直流输电的IGBT散热仿真建模及分析方法

结合柔性直流输电功率模块的机械结构特点,通过对功率模块进行的合理等效简化,建立一种仿真模型。该仿真模型考虑了功率模块内部所有热源,并通过柔性直流输电运行原理,确定各热源损耗。此方法不但避免了网格划分的失败,还可以真实再现功率模块内部各热源的分布情况,有效地节约了仿真时间及计算机存储空间。基于该模型,利用Ansys软件对该仿真模型进行热仿真,并与试验结果相比,两者一致性好,验证了仿真建模及计算的合理性。     

IGBT功率模块键合线故障下的温度特性研究

针对IGBT功率模块不断承受温度变化和功率循环后导致的键合线脱落(典型故障之一),基于红外探测法和热电阻接触测温法,研究了IGBT模块键合线故障下从芯片到底板的稳态热阻抗、芯片温场分布和温度变化。研究表明:键合线脱落不会影响IGBT模块从芯片到底板的稳态热阻抗值;键合线脱落后,芯片表面温场分布不均且芯片中心温度变化率增大。这些温度变化特性均可作为诊断键合线故障的重要依据。     

多功率器件模块热耦合效应下热阻网络模型研究

在使用IGBT等功率器件模块的电能变换装置中,通常需要利用热阻网络来预测功率器件的温度或者构建电能变换装置的电热仿真模型来进行动态电热联合仿真。多功率器件工作时,各个热源互相影响,需要考虑热耦合效应。基于线性叠加原理,建立了多功率器件模块热耦合效应下外热阻的热阻矩阵表示方法和外热阻网络模型,并采用有限元热模拟方法进行了仿真。根据仿真结果对热阻矩阵进行了计算。     

芯片封装参数对功率模块热特性影响的研究

由于温度分布不均匀以及封装中各层材料之间的热膨胀系数不同,使功率模块在工作中产生交变的热应力,造成焊层疲劳、键合线脱落等失效形式,因此研究模块的热特性尤为重要。热的测量是电力电子系统中最困难的工作之一,对封装结构进行电-热-力精确的仿真分析,能够准确了解对器件不同部位的温度、应力分布。采用基于电-热-力多物理场的有限元仿真,研究了封装材料、封装参数和封装结构对功率器件的温度、热阻、热应力这些热特性的影响,为优化封装设计,最终提高功率模块可靠性提供了一定的参考。     

基于PSIM和Simulink的电动汽车控制器热设计

采用PSIM和Matlab/Simulink,计算电动汽车用永磁同步电机控制器逆变电路的功率耗散及额定功率工况下的温度变化。在Matlab/Simulink环境中建立采用电压空间矢量脉宽调制的电机控制模型获得所需的占空比信号,并在PSIM环境下建立电机控制器逆变电路热计算模型,获得功率器件的功耗,优化散热器设计,热计算仿真与电机控制器温度实验进行了比较分析,结果验证了该方法的有效性。     

真空热电子-热光伏耦合发电器件性能研究

提出了一种真空热电子-热光伏耦合发电器件,基于能量平衡方程建立了真空热电子-热光伏耦合发电器件的理论模型,获得了器件输出功率和转换效率的一般表达式,并确定了器件的优化参数,研究了热源温度和极板功函数对耦合发电器件输出电压、功率和效率的影响规律。结果表明:优化参数后,该耦合发电器件的最高转换效率可达24.3%,较单独的真空热电子发电装置提高了6.9百分点,其最优输出功率约为后者的3.5倍;耦合热光伏模块后的器件在不同参数下都能实现输出稳定,提高热源温度或降低阳极功函数可进一步提升器件性能。本文将为适用于太阳能或核能的热电子复合发电技术研发提供有益参考。     

风冷SiC逆变器的设计方法与封装集成

SiC风冷逆变器省却了复杂的液冷系统,使电动汽车的动力系统更加紧凑。然而,风冷SiC逆变器缺乏系统的设计方法和关键的封装集成路径。提出一种风冷SiC逆变器的分层协同设计方法,包括功率模块、母线电容和散热器3个层次。在功率模块层,采用电-热-力多物理场分析方法,建立SiC功率模块的多维应力模型,提出一种改进的功率模块封装方法。在母线电容层,建立电容容值和纹波电流之间的数学模型,计及纹波电压、纹波电流和成本之间的相互制约,提出母线电容材料选择和电容值最小化的优化方法。在散热器层,采用电-热协同仿真方法,建立风冷散热器的热阻模型,对散热器的结构和材料进行优化设计。在分层优化设计的基础上,研制SiC功率模块和风冷SiC逆变器样机,实验结果验证了所提设计方法和封装集成的可行性。所作研究为SiC逆变器的研究提供了新的研究方向。     

基于GaN的3.5 kVA单相逆变电源研制

为了满足动车组列车对车辆设备轻量化的要求,研制一种容量为3.5 kVA的自然散热型车载单相逆变电源,并对其散热器的散热性能进行系统分析以提高该电源的散热效率从而降低工作温度以保证系统的可靠性.首先,基于热损耗理论、计算器件的功率损耗;然后,运用热分析软件ICEPAK对散热器翅片的厚度、高度、间距和基板厚度进行参数化仿真,再综合该电源结构强度和重量以确定散热器结构的最佳方案;最后,按照车载单相逆变电源设计容量和最优散热器结构加工样机进行温升和输出性能测试.实验结果表明,该电源的仿真温度与实验温度的误差在7％以内,证明了结构优化的合理性和数值模拟的可行性,同时稳定的、高品质的电源输出特性验证了电气系统和散热系统的可靠性.     

一种三相逆变器损耗分析方法

针对目前应用广泛的三相逆变器的功率损耗,提出了一种基于系统仿真的逆变器损耗分析方法.利用器件厂家提供的损耗特性曲线,推导出相应的器件损耗参数,利用简化的损耗模型计算功率模块损耗.仿真和实验结果表明,方法简单有效,通用性好,对绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率场效应晶体管(MOSFET)及其他半导体功率器件均适用.     

功率模块封装的电–热–力多目标优化设计

随着功率模块的广泛应用和宽禁带器件的快速发展,功率半导体领域急需低感、低热阻和高可靠的功率模块封装理论和方法。针对功率模块内电–热–力的多物理场耦合规律,从电–热、热–力耦合的角度,提出寄生电感、结–壳热阻、功率循环和温度循环寿命的量化表征方法,揭示寄生电感、热阻和可靠性之间的相互制约关系,提出功率模块封装的多目标优化设计方法,并利用快速非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm II,NSGA-II)进行求解,获得该多目标优化问题的Pareto前沿解。然后,详细分析焊料、陶瓷、基板等常用封装材料对功率模块性能的影响,并获得功率模块封装材料的参数最优配合关系,为功率模块的封装设计提供了新的理论方法。