压接型IGBT器件单芯片子模组可靠性寿命仿真研究

随着柔性直流输电和电力机车等大功率领域的发展,压接型IGBT器件因其功率等级高、易于串联、双面散热和失效短路的优点,已逐步替代传统的焊接式IGBT模块。压接型IGBT器件各部件之间通过压力进行固定连接,在工作过程中各部件间会产生巨大的循环热应力,各部件在长时间循环热应力的作用下会出现金属疲劳,从而对于压接型IGBT器件的使用寿命产生影响。基于有限元法建立了压接型IGBT器件单芯片子模组的仿真模型,通过设置芯片表面的接触热阻和摩擦系数,对于各部件金属疲劳过程进行仿真模拟,利用金属疲劳寿命预测模型对压接型IGBT器件单芯片子模组的可靠性寿命进行了预测,得到了不同压力下压接型IGBT器件单芯片子模组的可靠性寿命。仿真结果表明,压接型IGBT器件单芯片子模组的可靠性寿命与压力的关系近似为高斯分布,这对于压接型IGBT器件的使用以及后续的研究具有指导性意义。     

基于异构宏模型的Z轴微加速度计系统级建模与快速仿真

针对含复杂结构的MEMS器件,提出基于异构宏模型的系统级建模方法,即将MEMS系统分解为多个简单部件和复杂部件的组合,采用解析法建立简单部件的宏模型,而采用数值法建立复杂部件的宏模型,通过这些宏模型按器件的原始拓扑互连实现整个MEMS的系统级建模与仿真.以z轴微加速度计为例,对其中形状规则的平板质量块和平板电容器,采用解析法建立宏模型;而对于形状复杂的折叠梁,采用数值法建立宏模型,完成z轴微加速度计的系统级建模,并在Saber中进行系统级的时域、频域及pull-in仿真.将仿真结果与有限元分析结果及实验结果进行了比较,其时域仿真时间小于2 min,频率、pull-in电压相对误差小于2%,表明该方法能够快速有效地实现复杂结构MEMS器件的系统级建模与仿真.     

基于Simulink的IGBT模块的结温计算

为探究绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块在长时间疲劳损伤累积下造成的失效问题,采用电-热模拟法测量IGBT模块的结温。以三相桥式逆变器为例,应用开关周期方法计算IGBT和续流二极管(FWD)的功率损耗。基于MATLAB/Simulink搭建IGBT模块结温计算模型及热网络模型,对IGBT模块结温进行仿真,采用IPOSIM软件验证搭建模型的准确性。研究表明,IGBT模块平均结温随输出频率增加有所降低,随器件开关频率的增加而增加,模块结温与环境温度变化趋势相一致。该方法不需要直接接触功率器件,而且计算量小,结果准确。     

高压IGBT芯片换流运行的热稳定性分析

为保证高压绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)器件换流运行时的热稳定性,需要根据IGBT芯片的电热特性和器件的散热设计,确定芯片运行的热稳定工作区,从而指导器件的运行条件控制。虽然针对芯片动静态损耗的热稳定性分析已经发展了许多年,但目前针对高压芯片的相关研究还较少。首先,通过实验测量了3.3 kV非穿通(Non-Punch Through, NPT)型和场截止(Field Stop, FS)型IGBT芯片的动静态特性,获得并分析了温度、电流及电压对动静态损耗特性的影响规律。在此基础上,给出了IGBT芯片的损耗拟合公式,通过对器件内部的热反馈过程进行分析,提出了具有解析形式且包含占空比、换流频率及电压电流等器件运行工况的IGBT芯片的热稳定性判据。根据所提的判据,分析了高压NPT型和FS型IGBT芯片的换流运行的热稳定性,可方便确定IGBT芯片在不同的换流条件下的最大工作频率和最大工作电流,简化了高压IGBT芯片的热稳定性分析,并可为高压器件的选型和损耗评估提供依据。     

单相开关电源的设计

介绍一种由新型功率器件IGBT构成的开关电源的工作原理,讨论了主要器件IGBT,桥路电容以及快速二极管的选择问题,并给出试验结果。     

一种建立数字电路宏模型的方法

提出了一种建立数字门电路宏模型的方法，采用该方法建立的门电路宏模型可以对门电路以及由门电路构成的数字电路进行逻辑仿真，宏模型用构造法建立，不含有源器件，具有模型结构简单、仿真速度快、占用内存少等优点。     

基于开通波形的IGBT开关特性测试平台寄生电感提取方法

IGBT动态测试平台的寄生电感影响IGBT器件的开关参数以及开关损耗,因此,提取动态测试平台回路的寄生电感对于准确获得IGBT器件的开关参数具有重要意义。传统的寄生电感提取方法忽略了回路寄生电阻的影响,给寄生电感的提取带来误差。为了提高寄生电感提取的准确性,提出了采用IGBT开通波形来计算动态特性测试平台寄生电感的方法,通过对开通电流上升过程的分析,建立了包含回路寄生电阻的等效电路模型及电路方程。仿真结果表明该方法的计算误差低于传统计算方法。为验证该方法的正确性,搭建了IGBT动态特性测试平台,实验结果表明,该方法实现了寄生电感参数的提取,为提供准确的IGBT器件开关参数奠定了基础。     

高速IGBT的二维数值分析

借助双极传输理论导出了高速绝缘栅双极晶体管(IGBT)传输特性的物理模型。稳态时,其工作原理与普通IGBT完全相同,但瞬态时,由于N+阳极对基区非平衡载流子的抽出作用,使其关断速度比普通IGBT大大提高。文中利用二维器件数值分析软件(PISCES-IB)对其稳态和瞬态工作特性进行了详细的模拟分析,获得了其工作时的浓度分布、电流分布等内部物理参数,并得到了它的关断时间Toff,其模拟结果与实验值比较吻合。     

考虑接触界面全接触的压接型IGBT器件功率循环寿命预测

柔性直流输电技术的飞速发展，对换流阀用压接型IGBT器件的可靠性要求进一步提高。目前针对压接IGBT可靠性寿命模型的研究存在不足，一方面，大多数模型对接触问题考虑不全面，物理模型为焊接形式或不能滑动的联合体，不符合实际物理机理，因此可靠性模型不能全面真实反映实际情况。另一方面，解析寿命模型的拟合方法，无法单一控制变量完全解耦，单变量拟合曲线并不能准确反应变量与可靠性寿命的关系。建立了考虑全部接触问题的功率循环计算模型，针对压接型器件的封装特点引入压力作为新变量，提出一种采用改进多元线性回归拟合方法的多变量寿命模型，该分析方法可应用于压接型IGBT在功率循环下的可靠性评估。通过有限元计算结果验证，多变量寿命模型相比单变量拟合更加准确。     

采用全阶状态观测器的IGBT模块结温预测

为解决控制器功率器件过温失效问题,需要对IGBT的PN结温度进行实时精确估计.设计全阶状态观测器对IGBT的结温进行实时估计,并综合考虑电、热参数的相互影响,采用闭环控制实现结温的估计修正;根据双脉冲测试原理搭建IGBT动态特性离线测试平台,研究导通电流、母线电压、结温对IGBT损耗的影响,采用线性插值法推导IGBT损...     

IGBT的ZVC/ZCC驱动模式

对IGBT的工作特性及存在的问题进行了深入探讨,详细介绍了用于提高大功率IGBT电桥的开关效率和安全性的ZVC/ZCC驱动模式。该模式利用IGBT的反向雪崩特性和电荷转移法实现IGBT的零电压切换和零电流切换,从而有效地抑制了器件内部的电流拖尾和自琐效应,大大地减小了开关损耗,提高了功率IGBT的工作效率和安全性。     

弧焊逆变器中IGBT的几种保护措施

功率器件的可靠运行是批焊逆变器设计和制造过程中的一项关键技术,必须对其进行有效地保护,主要介绍功率器件IGBT的开关特性和保护原理,分析了几种典型的保护措施,并提出了一种新型的软开关技术。     

基于Arnoldi算法的MEMS微梁的宏建模

微机电系统通常涉及机、电、流体、热等多个耦合能量域，其设计与分析需要通过宏建模来降低复杂度。论文根据系统传递函数矩匹配原理，提出将Arnoldi算法与Taylor展开相结合来实现MEMS器件行为的宏建模，建立了典型MEMS微梁的宏模型。与有限差分法相对比，该方法可以较准确地实现MEMS器件的快速动态仿真。     

600 A IGBT开关电路及其散热系统设计

采用IGBT开关电路，对大功率电阻带进行直流脉宽调制控制，实现了内燃机车大功率直流发电机负载实验中的负载大小的连续调节。为了避免在实验过程中IGBT器件的温度过高，采用独特的双管IGBT结构和双向强迫风冷的散热系统。实验表明该电路运行稳定、可靠。     

适用于IGBT串联系统集成的驱动电路

为了减少电力电子装置的体积和重量,提高功率密度和变换效率,且避免器件高频工作时,驱动线路寄生参数引起的电磁干扰（EMI）问题,最大限度地提高装置的性能和可靠性,有必要将绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）串联驱动电路集成到芯片级的串联模块当中,并实现标准化大规模生产.通过对现有IGBT串联驱动辅助电源拓扑的归纳总结和横向比较表明：在体积、价格和结构复杂程度上,非隔离型的IGBT串联驱动辅助电源均较隔离型的IGBT串联驱动辅助电源有较大优势,因而认为其更适合集成化的串联系统,并在此基础上针对性地提出了自举型驱动辅助电源拓扑,并给出了关键参数的设计方法和可能存在的技术问题及解决方案,这有利于器件（IGBT）串联技术能更有效地应用到中高压、大功率变换装置的工程实践.     

压接型IGBT芯片动态特性影响因素实验研究

压接型IGBT器件内部具有复杂的电-热-力环境，直接影响了其内部IGBT芯片的动态特性，进而决定了整个器件的安全工作能力。为此，研究不同影响因素下的压接型IGBT芯片动态特性具有重要意义。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，利用所研制的具有多因素解耦、灵活调节能力的双脉冲实验平台，针对一款3.3kV/50A压接型IGBT芯片，测量获得了不同母线电压、负载电流、驱动电阻、温度及机械压力下的双脉冲实验波形。分析了不同影响因素对双脉冲波形的影响规律，对比了不同影响因素对IGBT动态特征参数影响程度，结果表明母线电压主要影响关断过程，负载电流、驱动电阻和温度主要影响开通过程，机械压力对开通关断过程的影响很小，研究结果对IGBT芯片建模及压接型IGBT器件安全运行具有重要的指导意义。     

模块化多电平换流器子模块等效数学模型的建立及仿真

模块化多电平换流器(MMC)中包含的半导体开关器件数量是2电平、3电平电压源换流器(VSC)的2次幂倍,随着系统电平数的增加,大量功率器件的引入给模型的电磁暂态仿真带来了困难。本研究把IGBT等效为2个不同状态的等效电阻,将MMC子模块的模型简化,根据戴维宁定理建立了MMC子模块的数学模型和MMC桥臂数学模型。最后,在MATLAB/Simulink下搭建基于MMC子模块数学模型的21电平仿真电路和基于MMC桥臂数学模型的61电平VSC-HVDC输电系统仿真电路,并与采用器件模型的仿真结果进行对比。仿真验证了该数学模型的准确性和可靠性。     

基于24V电源测试大功率IGBT模块的方法与分析

针对现行大功率IGBT器件测试方法总是基于高压大电流的危险测试环境及较高的费用和要求操作人员较高的技术水平等不足,设计提出一种简单、适用、安全、高效的大功率IGBT模块驱动测试方法,该方法基于24 V电源测试大功率器件,通过向IGBT发送2.5 k Hz、5 k Hz的PWM脉冲测试IPM(智能功率半导体)的耗散电流来确定IGBT是否完好。详细介绍了这种测试仪的总体设计方案、关键功能设计和电路原理解析。开发的新产品具有实际应用价值和广阔的市场前景。     

绝缘栅双极晶体管弧焊逆变器的研究

分析了采用新型功率器件绝缘栅双极晶体管 ( IGBT)设计的弧焊逆变器的主电路、控制电路、驱动电路的构成及工作原理 ,并介绍了抗干扰措施。     

IGBT串联型逆变器定角控制的建模与仿真

分析了串联型逆变器定角控制的必要性,提出了一种定角控制的频率跟踪方法,并对其实现进行了研究。以MATLAB／Simulink为仿真工具,建立了以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为开关器件的串联型逆变器仿真模型,对提出的定角控制方法进行了仿真验证。仿真结果表明该定角控制方法是可行的,能够使串联型逆变器在较宽的频率范围内保持功率因数角恒定。