基于结温补偿的IGBT模块键合线失效监测方法

针对目前绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温估测存在误差的问题,利用通态压降作为结温估计的函数,考虑IGBT模块内部互连材料等效电阻的影响,对估计结温进行补偿,通过实验验证补偿后的温度更接进芯片的真实温度。在此方法的基础上,模拟IGBT模块老化的进程,确定键合线失效阈值,并建立键合线失效基准面。实验结果表明健康的IGBT功率模块和故障模块在三维曲面上具有很好的区分度,验证了运用该方法监测模块内部键合线失效情况的可行性。     

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。     

基于动态自适应参考值的牵引整流器IGBT键合线老化状态监测方法

为实现高铁牵引整流器中绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)键合线老化程度的状态监测,文中提出一种基于集射极饱和导通压降Vce的动态自适应参考值的方法。分析键合线老化脱落根数与Vce的对应关系,并基于动态自适应参考值来消除结温的影响。在离线条件下,采集特定导通电流下多种结温和键合线脱落程度下的Vce,构成参考数据集;对运行中的牵引整流器,监测IGBT在该特定导通电流下的Vce实际值,由参考数据集动态地计算出与该时刻结温相适应的Vce参考值,将实际值与参考值相比较,即可评估IGBT键合线老化状态。文中方法能有效消除结温对监测效果的影响,并能在牵引工况下完成牵引整流器中IGBT键合线老化状态监测。最后,利用实验测试验证所研究的方法的可行性。     

一种基于开通栅极电压的新型IGBT键合线老化监测方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)的可靠运行是牵引变流器安全和性能的重要保障。键合线老化作为IGBT的一种常见失效模式,对其进行监测具有重要意义。文中提出一种基于开通栅极电压ugem的键合线老化监测方法,该方法可有效避免温度和负载电流带来的影响。首先,基于IGBT等效电路模型,系统分析ugem受键合线断裂影响的原因;其次,利用双脉冲测试进行验证,同时对温度和负载电流带来的影响进行分析;在此基础上,考虑到使用ugem局部特征将受到温度和电流的干扰,提出将开通栅极电压整体波形用于键合线老化的监测,并进一步利用有监督的线性判别分析进行数据降维以及采用支持向量机实现键合线断裂根数的检测。最后,通过实验对所提监测方法的有效性进行验证。     

基于ANSYS的IGBT模块健康状态研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的老化失效会对电力电子系统的可靠性造成不良影响,其中键合线疲劳是IGBT模块老化失效的主要原因之一.为探究键合线疲劳对IGBT模块的影响,通过ANSYS有限元仿真,定量分析键合线脱落与IGBT模块健康状态之间的联系,结果表明键合线脱落不仅会使IGBT模块的结温升高,键合线受到的热应力增...     

基于开通过程的IGBT模块栅氧层老化研究

新能源行业快速发展促进了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的广泛应用,作为电力电子变换器中的核心部件,IGBT模块的可靠性问题受到越来越多的关注。IGBT作为电压源型功率器件,其开关速度可达到20 kHz,而栅极端的栅氧层会受到栅极电压的持续冲击而发生老化现象。栅氧层老化会引起IGBT开关特性变化,造成输出特性下降,导致电能输出质量降低。此处通过研究IGBT开通过程参数受栅氧层老化影响产生的变化,分析对比了开通过程参数在栅氧层老化下的适应性和灵敏度,提出了以IGBT开通过程基于栅极电压变化的开通时间作为栅氧层老化诊断特征参数,并建立了能够反映IGBT栅氧老化程度的监测模型。     

IGBT模块键合线失效研究

新能源技术的发展对功率变流装置的性能提出了更高的要求,IGBT模块作为变流器的核心器件,其可靠性受到了越来越广泛的重视。现有研究表明,恶劣的工作环境加速了器件的老化和失效,因此,深入研究IGBT模块的老化和失效机理是功率器件应用中需亟待解决的问题。以IGBT模块的键合线为研究对象,在建立IGBT模块电-热-力多场耦合模型的基础上,对正常工作和部分键合线脱落时的温度和剪切应力进行了综合分析,指出剪切力是键合线疲劳和失效的直接原因。最后,对比传统铝键合线模型,采用铜作为键合线材料,可以进一步提高模块的可靠性。本研究为进一步分析键合线疲劳,研究IGBT模块的失效形式和寿命提供了参考。     

IGBT模块栅氧老化机理分析与表征方法研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）作为电力电子系统的核心器件,广泛应用于新能源发电、轨道机车牵引、电动汽车驱动以及航空航天等重要领域。栅氧层作为IGBT中相对薄弱的环节,如何准确地预测IGBT栅氧层老化状态成为学术界和工业界的研究热点。首先,分析IGBT栅氧层老化机理以及栅氧层老化对IGBT关断过程的影响,提出关断延迟时间td(off)作为IGBT栅氧层老化状态的状态参数。其次,建立IGBT栅氧层老化仿真模型,并对td(off)表征IGBT栅氧层老化状态进行仿真分析。最后,搭建了双脉冲实验平台,获得了栅氧层老化影响IGBT功率模块相关电气参数的实验结果,并与仿真结果进行了比较验证。实验结果证明td(off)可以有效地表征IGBT栅氧层老化状态。该研究对电力电子器件和装置的运行维护与状态预测具有重要的应用价值。     

IGBT模块封装热应力研究

ＩＧＢＴ模块封装多层结构的热不匹配将产生热应力从而影响器件可靠性。给出了ＩＧＢＴ模块热应力模拟结果及减小硅芯片热应力的方法,并计算出模块封装最佳参数及热应力与温度的关系,上述结果与温度循环实验结果一致。     

适用于电路仿真的IGBT模块暂态模型研究

高压IGBT与二极管构成IGBT模块已经广泛应用于柔性直流输电技术领域。然而现有仿真研究难以模拟IGBT模块中IGBT与二极管各自详细开关暂态特性及相互影响,因此提出一种适用于电路仿真的IGBT模块暂态模型及其参数通用提取方法。模型采用机理推导、电气等效、曲线拟合等方法在PSCAD、SABER等电路仿真平台实现,无需获取器件底层参数和求解复杂物理方程,不仅可以实现电路仿真中IGBT模块的各种运行状态,而且可以在纳秒级步长下模拟其电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台等开关暂态特性。通过与SABER中通用模型仿真结果及实验实测波形对比分析,验证了IGBT模块暂态模型和参数提取方法的正确性和通用性,为进一步将模型应用于柔性直流输电系统仿真、电磁干扰及损耗分析、控制策略等研究打下基础。     

大功率IGBT模块结温提取研究

为了提高大功率功率变换器的可靠性,需要对大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块进行温度监测,到目前为止,该领域对高压IGBT的研究很少。本文搭建了双脉冲实验平台,对4.5 kV、1.2 kA IGBT模块开关瞬态时的热敏感电参数进行了测量,并对每个参数是否适用在线结温提取以及预期成本进行了讨论。结果表明,大多数参数除温度外还强烈依赖于负载电流和母线电压,最合适的结温提取参数是准阈值电压和开通时集电极电流变化率,它们都可以通过IGBT的寄生电感来获取。     

基于集总参数法的IGBT模块温度预测模型

从IGBT模块的内部结构和故障机理分析,得到影响IGBT模块可靠性的主要因素是温度的结论,而IGBT模块各层的温度是很难用实验的方法测取的。为了解决这一问题,在分析IGBT模块内部导热机理的基础上,利用瞬时非稳态导热的集总参数法建立热网络模型,并给出热损耗值、等效热阻、等效热容的提取方法。通过与制造商提供的IGBT模块结温实验数据、实测的底板温度和有限元模型相比较,热网络模型温度预测误差小于5%。     

电动汽车用大功率IGBT模块封装技术

绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)模块是电动汽车的核心部件,针对电动汽车应用环境特点,设计一款大功率IGBT模块封装方案,从功率芯片、直接覆铜(direct bonded copper,DBC)基板、功率电极、控制电极及环氧树脂层等多个方面介绍该方案的特点。实验测试结果证明,该封装设计方案样品特性良好,满足了电动汽车应用的要求。     

IGBT驱动有源钳位电路的研究

有源钳位电路可以有效地抑制绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)关断时的尖峰电压,但是有源钳位电路的频繁动作会增大损耗,危及整个系统的安全。所以在对传统的有源钳位电路模型进行电路分析的基础上,提出了一种优化的有源钳位电路,分析比较了两种有源钳位电路关断时的暂态过程,建立了相应的损耗分析模型,对两种电路进行定性损耗分析的计算。最后通过Pspice的定量仿真实验,仿真与分析结果对比证实了所提出的开关模型和损耗模型的正确性。     

配电系统电子电力变压器的IGBT缓冲电路设计

针对配电系统电子电力变压器的特点,提出功率开关器件IGBT缓冲电路的设计方法,包括缓冲电路类型的选择及参数的计算方法.在此基础上,针对几种电路结构和参数进行仿真,比较了它们各自的特性,总结出最佳吸收方案.仿真表明,所设计的缓冲电路能够有效钳制IGBT关断时的电压变化率和过电压.     

沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型

沟槽栅场终止型代表了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的最新结构。由于沟槽栅结构与平面栅结构在基区载流子输运、栅极结电容计算等方面存在较大的不同,沿用平面栅结构的建模方法不可避免会存在较大的偏差。基于对沟槽栅场终止型IGBT结构特点及模型坐标系的分析,考虑载流子二维效应将基区分成PNP和PIN两部分,根据PIN部分的沟槽栅能否被PNP部分的耗尽层覆盖分析了栅极结电容计算方法,提出一种沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型,并进行仿真与实验验证。     

基于IGBT的直流混合型固态断路器及其换流过程

分析和比较了各种固态断路器的优、缺点,提出了适用于直流电力系统的基于IGBT的混合型固态断路器.通过搭建的固态断路器试验平台,进行了直流短路电流分断试验,并理论分析了影响其换流时间的电路参数.与机械断路器分断短路电流实验结果的对比表明,该断路器能有效分断直流短路电流并且有分断时间快、限流能力强、无电弧等优点.     

一种有限差分IGBT/FWD模型研究

提出了一种适用于多种IGBT/FWD芯片结构的有限差分仿真模型。该模型具有较高的精度,良好的计算速度和收敛性,并能反映温度变化对IGBT/FWD特性的影响。首先深入分析了IGBT/FWD芯片的物理建模过程,然后通过双脉冲实验验证了模型准确性和温度影响特性,为解决精确测量电流的问题,提出了一种使用刺刀螺母连接器和采样电阻测量电流的方法。     

基于晶闸管及IGBT的新型两电平逆变器

提出一种新颖的两电平电压型逆变器拓扑结构。该三相逆变器具有三个桥臂,每个桥臂由2个晶闸管、1个IGBT及4个二极管组成。晶闸管完成逆变器的相位定位,IGBT完成不同调制方式(SPWM、SVPWM、SHPWM等)的调制,二极管完成桥臂的换相。对基于晶闸管及IGBT的新型两电平逆变器的原理及拓扑结构进行详细的分析与设计,建立该新型两电平逆变器的仿真及实验平台,仿真及实验结果表明:与传统的两电平逆变器比较,可实现传统逆变器功能的同时,具有成本较低及开关损耗低的特点,在矩阵式逆变器领域更具优势,验证了所提方案的正确性。