一种考虑热扩散和热耦合的IGBT模块热阻抗模型

针对传统热等效电路模型对IGBT模块结温计算误差较大的问题,提出一种基于传热研究的IGBT模块等效热阻抗模型。通过对IGBT模块内部传热研究,以热流密度变化规律确定热扩散角,由此计算出热网络参数并建立改进的单芯片Cauer网络等效电路模型。然后在此基础上,考虑多芯片之间的热耦合效应,计算出自热热阻和耦合热阻并建立IGBT模块热阻抗矩阵,利用线性叠加原理可对各芯片的结温进行预测计算。最后,将等效热阻抗模型计算出的结温与有限元仿真值进行比较,验证了该模型的有效性与准确性。     

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。     

基于iSIGHT平台的开关电源电热耦合仿真方法

为了实现开关电源性能特性的精确仿真分析,需要考虑温度与元器件之间的电热耦合效应,否则将无法准确模拟电源真实工作状态。提出一种基于i SIGHT平台的开关电源电热耦合建模与仿真分析方法。采用有限元仿真方法提取高频变压器分布参数,建立等效电路模型;分析功率半导体器件工作特性受温度的影响关系,建立肖特基二极管和功率MOSFET的电热耦合仿真模型。以某开关电源为对象,分别建立电路仿真模型和稳态热场仿真模型,采用i SIGHT对电、热仿真过程进行集成,实现电热耦合仿真数据的自动化交互。该电热耦合仿真方法提高了电、热特性的仿真精度,可精确描述开关电源的性能特性与下位特性参数的关系,为产品优化设计提供了准确有效的手段。     

MMC-HVDC系统功率器件的结温估算与寿命预测

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,半桥功率模块的寿命预测较为困难,提出了一种功率模块器件的结温实时监测方法及寿命耗损的评估方法.首先,研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,建立功率器件级的热阻模型,研究模块结温实时监测方法.然后,通过Lesit寿命模型和线性损伤累积理论对模块寿命耗损进行定量研究,结果表明,功率波动...     

双面散热功率模块的热阻建模与测试表征研究

相对于单面散热(single-sided cooling,SSC)封装,双面散热(double-sided cooling,DSC)封装能有效降低功率模块的结–壳热阻,大幅提升变流器的功率密度,是功率集成的发展趋势。DSC功率模块具有双通道传热的特征,然而现有研究仍然沿用SSC功率模块单通道传热的热阻模型和评测方法。因此,DSC功率模块的热阻研究存在物理意义不明、热路模型缺乏、评测方法空白等基础问题,严重制约DSC功率模块的装备研发、可靠运行和规模应用,亟待技术突破。文中基于等温剖面和温度梯度的概念,揭示功率模块热阻的传热学机理,阐释DSC功率模块热阻的物理意义,建立DSC功率模块的热路模型,分析双通道传热和单通道传热的热阻规律,仿真分析和实验测试的结果,验证模型和方法的可行性和有效性。结果表明:相对于SSC功率模块,DSC功率模块的双通道热阻,从物理上、数学上和表征上,都不是两个单通道热阻的直接并联。此外,DSC功率模块在降低73%尺寸的同时,可以降低65%的结–壳热阻。这些研究发现将为DSC功率模块的研发与应用及制定多通道传热半导体器件的热阻标准,提供有益的参考。     

关于集成功率模块热阻的仿真分析

分析了混合封装的电力电子集成模块的热路模型,并且仿真得出了结壳热阻Rth-jc的s数值仿真结果.讨论了DBC大小,铜基板大小、形状与结壳热阻的关系,为功率模块的结构设计提供了参考.     

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。     

基于电接触接触热阻的传热新模型研究

电接触元件的传热性能是影响电能传输稳定性、可靠性的一个重要因素。基于多点接触电热耦合模型,建立了接触热阻的接触面传热新模型,利用ANSYS接触单元模拟接触电导生热和接触热阻生热现象,并考虑接触点随机性的存在对接触面温升有影响的因素,建立新的传热模型,并对新的模型进行了分析。     

直接冷却IGBT功率模块散热性能研究

电力电子设备元器件的温度是影响电力电子设备性能和可靠性的关键因素之一。在IGBT功率模块散热方面,目前的研究热点之一是在模块的设计阶段应用直接冷却技术,将散热鳍片集成在功率模块的铜基板上。这种结构使IGBT模块在安装固定时不再需要通过导热界面材料来连接模块铜基板和支撑底板,因而使模块的总热阻大大降低。本文对自主研发的二合一直接冷却IGBT功率模块进行了仿真试验研究,并对比了传统间接冷却模块的散热性能,试验结果表明直接冷却模块的热阻最高降低了33%,而且温度场分布也更加均匀。仿真结果与试验结果一致,证明了仿真模型的准确性。     

碳化硅MOSFET电热耦合模型及分析

为在Matlab/Simulink环境下准确预测碳化硅Si C(silicon carbide)功率器件在实际工况下的结温变化,针对Si C MOSFET器件提出了一种基于时变温度反馈的电热耦合模型建模方法。该方法能更好地反映Si C MOSFET在导通和开关过程中的性能特点,模型从器件物理分析和工作机理出发,将功率损耗和热网络模块引入建模,实时反馈器件结温和更新温度相关参数。采用CREE C2M0160120D Si C MOSFET器件进行测试,根据制造商数据手册和测试实验中提取,仿真结果证实了该建模方法的正确性,为器件的寿命预测和可靠性评估提供了研究基础。     

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。     

模块化多电平变换器电热耦合模型研究

模块化多电平变换器（MMC）的电热耦合模型对于系统结温监测、可靠性分析、寿命预测等具有重要意义。文中提出了一种合理简化的模块化多电平变换器电热耦合模型,首先基于后退欧拉法,建立MMC子模块的等效电路;然后根据戴维南电路等效方法,建立了三相MMC等效电路;其次,根据器件损耗特性和热阻抗特性建立MMC的电热耦合模型;最后,通过仿真和实验结果,验证了所提MMC电热耦合模型的正确性,该模型可以用来做MMC特性研究和可靠性分析。     

一种DC/DC电源模块热阻模型建立和散热设计

随着DC/DC电源模块功率密度的不断提高,良好的散热设计是保证电源可靠工作的前提.首先对所用电路拓扑进行了介绍,然后建立了电源模块的热阻模型,通过对主要热源之间的耦合关系进行分析,对温升进行了计算,并利用Flotherm软件建立热仿真模型来验证热阻模型的正确性.针对热应力集中点,提出热性能优化设计方案,最后实验验证了仿真模型的准确性和优化方案的可行性.     

考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型

为了更准确地描述大功率风电机组变流器IGBT模块内并联芯片的结温,提出一种考虑多热源耦合影响的变流器功率模块结温评估改进模型。从实际2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法分析IGBT模块内多芯片的结温分布和稳态热耦合影响。引入等效耦合热阻抗概念,推导功率模块芯片间热阻抗关系矩阵,并建立考虑多芯片热源影响的IGBT模块改进热网络模型。以某H93-2MW双馈风电机组为例,对比分析了不同功率损耗下改进模型的芯片结温计算结果与有限元和常规热网络模型结果。结果表明了考虑多热源耦合影响的风电变流器功率模块内部芯片结温计算的必要性和有效性,且热耦合影响程度与不同的芯片间距密切相关,需重点关注非边缘位置芯片的热分布。     

基于傅里叶级数解析热扩散角的功率模块热阻抗物理模型

绝缘栅双极型晶体管功率模块失效主要由温度因素诱发。为提高功率模块可靠性,RC热阻抗模型被提出用于实时预测芯片结温。随着功率密度的提高,模块横向扩散愈发明显,多芯片热耦合效应愈加突出,导致传统RC模型会引入较大误差。文中针对RC模型精准度不足进行改进,揭示热扩散角取决于热流密度的物理内涵,结合多层封装结构下的傅里叶级数解析热流模型,建立一维RC热网络与三维热流物理场的本质联系,构造计及多芯片热路耦合的扩散角热网络,较为准确地描述多芯片结温动态特性,揭示热扩散与热耦合效应对芯片温度场形成的规律。与其他传统热扩散角模型相比,所提出方法的结温计算结果准确度最高。最后以型号SEMi X603GB12E4p模块为例,针对提出的物理模型进行验证,仿真与实验结果均表明,该模型能够表征不同工况条件下功率模块的热过程,验证了所提建模方法的有效性与准确性,误差小于4%,且验证了所提模型较不计及热耦合模型精度提高了16.72%。     

双馈抽水蓄能机组用中点箝位式三电平变流器损耗与结温分布

针对双馈抽水蓄能机组(DFPSU)运行工况转换频繁,分析不同运行工况下中点箝位式(NPC)三电平变流器功率器件损耗及结温分布。基于DFPSU运行特点,以机侧变流器单相桥臂功率模块为例,研究了不同运行工况下各个功率器件开关动作和电流通路,理论上分析了器件损耗分布不均现象;基于功率器件导通损耗和开关损耗计算模型,建立其热网络等效电路和结温计算模型,考虑DFPSU控制策略,并基于PLECS平台建立了NPC三电平变流器功率器件电热耦合仿真模型;对机组在发电、电动和调相运行工况下的器件损耗和结温分布进行仿真。理论分析与仿真结果表明,不同运行工况下器件损耗不同,变流器中间位置的主开关和箝位二极管的损耗和平均结温最大,且机组在同步转速点附近器件结温波动最大。     

IGBT动态热阻抗曲线提取实验研究

全控型电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是电能变换装置的核心部件,其工作性能与可靠性等都与工作结温直接相关,而电力电子器件的热阻抗直接影响器件的结温,因此,研究IGBT热阻网络的传热特性具有很重要的现实意义.这里从理论上详细介绍了热阻定义及其组成,概述了热阻测试方法,并通过实际热阻测试实验提取到了IGBT的动态热阻抗曲线,由动态热阻抗曲线得到了某型IGBT的实验热模型.此处采用的研究方法和实验手段对于开展此类电子器件散热研究具有一定的指导意义.     

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型

针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)模块结温的影响,分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律,并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。首先,依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性,建立三维有限元热-结构耦合分析模型,对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次,确定不同焊层脱落度下其热阻增量值,并建立IGBT模块改进热网络模型。最后,将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析,验证了所提的改进热网络模型的有效性。     

计及环境对流随机性的功率器件结-环境热网络模型

结-环境热网络模型可结合环境温度估计功率器件结温变化,是评估器件散热能力与剩余寿命的重要基础.然而,传统结-环境热网络模型一般假设器件在稳定环境下工作,忽略了环境对流随机性对器件的影响,难以有效反映结温的变化特性.为此,该文提出一种计及环境对流随机性的结-环境热网络模型.该模型首先利用器件历史损耗和温度数据,得到散热器与环境之间的对流热阻样本;再通过小波包变换和马尔可夫链方法,实现对流热阻的随机模拟;最后在指定的电流和环境温度下,模拟器件结温的随机变化.为了验证模型有效性,以功率MOSFET为对象,设计功率器件的随机对流实验平台.实验结果表明,该文所提模型可有效地描述器件结温在随机对流作用下的不确定性变化,能够为器件热安全评估与寿命预测方法发展提供更加真实有效的数据支撑.     

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.