高空飞行器供油驱动系统IGBT模块结温特性研究

对高空飞行器供油驱动系统在特定负载状态下的IGBT模块结温特性进行研究。高空飞行器对供油驱动系统的高功率密度要求高及环境散热条件差的状况,使得其关键部件IGBT模块在功率裕量与结温控制方面更为严格。根据负载特性精确计算结温,对于在特定散热条件下系统的可靠运行非常重要。运用非稳态导热的Foster集总参数法,分析IGBT模块点热源特性及其他热源对计算影响,建立一种含校正系数的热网络模型,并在短时脉冲过载及输出低频两种特有状态下,对IGBT模块的结温特性进行分析。通过对高空飞行器飞行过程中IGBT模块结温特性的计算,结合仿真软件Semisel的对比分析,验证了建模和分析本文所提方法的有效性。     

基于有限元仿真的IGBT混合模块的可靠性分析

集成化与微型化是当今电子信息产业发展的特点,其中电子元件的结温与热应力是影响其可靠性的重要因素。硅基IGBT和SiC基续流二极管组成的混合模块广泛应用于城市轨道交通等领域,其可靠性直接影响轨道交通车辆的运行性能。本文建立IGBT混合模块的仿真模型,随着各层材料厚度、焊料空洞大小和位置的变化,计算分析IGBT混合模块的温度与应变变化规律,对模块封装结构进行优化设计。将高热导率石墨烯应用在IGBT混合模块中,仿真分析应用位置不同对模块可靠性的影响,从而进一步优化混合模块的封装结构。通过仿真计算,优化后的IGBT混合模块可将最高结温降低近3℃,最大热应力下降超过30 MPa。     

基于电热耦合模型的功率器件结温预测

结温预测对于功率器件的可靠性分析具有重要意义,基于此,提出了一种基于电热耦合模型的功率器件结温预测方法。首先通过Twin Builder软件建立了绝缘栅双极晶体管(IGBT)的行为模型,通过电路仿真的手段获取IGBT的平均功耗为324 W;然后将IGBT的功耗代入有限元仿真模型中得到了IGBT模块温度场分布,最高温度为99.58℃;最后搭建了IGBT模块结温测试平台,将仿真结果与实验数据进行对比,验证温度场计算模型的有效性;并实验对比了IGBT功耗分别为119 W和294 W下的最高结温,得到的温度场计算误差在10%以内,验证了IGBT有限元模型的有效性。     

IPOSIM-IGBT仿真工具在变频器设计中的应用

IPOSIM是一个功能强大的IGBT仿真工具，能够计算IGBT和续流二极管的开关损耗和导通损耗，仿真其温度分布和结温纹波。本文简单介绍了计算IGBT损耗的基本理论和相关热分析模型以及应用该工具的相关原则。同时，又介绍了了一些最新的功能，如能够比较不同IGBT模块在不同开关频率条件下输出电流能力的大小；自定义负荷能够完成在给定的变频器负荷条件下IGBT的仿真分析。最后给出了一些应用该工具的仿真技巧和实例。     

一种新型IGBT结温计算模型

为进一步研究IGBT电热参数与结温的关系,提出了一种用于计算IGBT结温的改进电热耦合模型。通过温度循环加速老化试验模拟IGBT的老化过程,记录不同老化程度下IGBT的电热参数,直到IGBT失效。根据电模型和热模型建立电热耦合模型,将不同老化程度下的电热参数及模型相结合,得到改进的电热耦合模型。采用单一参数法,研究了不同老化程度下电热参数对结温的影响。利用IGBT的稳态结温数据,得到电热参数对结温的影响度。     

对大功率IGBT模块损耗的研究

大功率IGBT模块损耗的确定是三相PWM变流器设计的一个关键参数。文中对两种类型转换器的功率半导体损耗进行了完整的分析计算。所提出的计算基础是将大功率IGBT的损耗简化为传导损耗和转换损耗。这种近似计算方法有助于预测和进一步研究两种变流器的功率IGBT的损耗性能。仿真计算结果指出了大功率IGBT损耗与变流器类型、工作点和脉冲宽度调制度的相关性,证明了所提出的计算方法的有效性。     

考虑退化状态的功率器件寿命预测研究

功率变流器是风机系统的核心组件,其可靠性直接影响风电系统的可靠性。风电变流器中主要的失效部件是IGBT模块,因此对IGBT模块进行寿命预测可以提高整个风电系统的可靠性。首先讨论变流器电热耦合模型中的退化参数,然后基于LESIT寿命预测模型和雨流循环计数法提出考虑IGBT模块退化状态的寿命预测方法。文中以1.2 MW风力发电系统为例,预测了网侧风电变流器中IGBT模块的寿命,并对比分析了是否考虑模块的退化状态对寿命预测结果的影响。     

基于IGBT模块饱和压降温度特性的结温探测研究

实验室条件下,IGBT模块的结温探测是瞬态热阻抗测试的关键。首先分别在热稳态和热瞬态下证明了饱和压降温度特性只与芯片有关,然后建立了IGBT模块结温探测模型,利用饱和压降值和集电极电流值来计算结温值,并将用模型计算出的结温与光纤实测的结温相比较,吻合性良好,证明了模型计算法能够准确探测结温。该方法可以用于恒流加热过程中瞬态热阻抗的测量,比起热敏参数法中冷却过程测量瞬态热阻抗相比,更具有实际意义。     

IGBT老化状态下基于BAS-SVM模型的结温预测方法

为进一步研究IGBT老化对其结温的影响,提出了一种新型的结温预测方法。通过功率循环加速老化实验,模拟模块实际运行老化状态,获取了不同老化程度下的饱和压降、集电极电流和结温数据,并进行分析。采用数据驱动的方法,建立了基于天牛须搜索算法优化支持向量机(BAS-SVM)的结温预测模型。结果表明,与粒子群算法-支持向量机(PSO-SVM)模型和天牛须搜索-BP神经网络(BAS-BP)模型相比,BAS-SVM模型更能有效缩短训练时间,收敛速度更快,且对IGBT结温的预测精度更高,是一种更有效的预测模型。     

IGBT模块焊料老化状态监测方法及热网络模型优化

焊料老化是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块内部传热能力退化和结温估计偏离的主要诱因。利用壳温与焊料老化程度间的对应规律构建了两者的量化关系,提出了焊料老化状态监测方法。采用与功率损耗无关的参数对恶化Cauer热网络(CTN)有效传热面积进行表征,提出了焊料裂纹诱导的结温低估补偿机制;考虑温度相关的异质材料导热系数及比热容参量,抑制了温升引起的材料传热特性退化影响。在此基础上,通过对传统CTN模型的优化,克服了传热路径无法自适应配置问题。仿真结果表明,所提方法可有效减小传热退化对模型计算结果的影响,实现对IGBT模块热行为动态变化的精确模拟,且结温估计结果相较传统CTN模型的更为精确。     

应用于车载变流器的RC-IGBT工作特性

逆导型IGBT (RC-IGBT)是将IGBT功能与续流二极管功能集成在一个芯片上,实现了在相同封装体积下,可获得更大的功率密度,由于IGBT与二极管紧密的移相热耦合,在相同散热条件下,RC-IGBT允许的工作结温更高.同时,RC-IGBT的本征二极管还受到栅极电压控制,通过栅极电压控制策略,可以降低器件损耗,优化系统特性.介绍了RC-IGBT的基本工作原理和二极管退饱和控制特性,研究了RC-IGBT应用于变流器系统的损耗优化控制策略,分析了应用RC-IGBT的单相脉宽调制(PWM)整流器的工作特性与损耗特性.通过一个具体的应用工况运行仿真,分析对比了RC-IGBT和普通IGBT在PWM整流器应用中的损耗特性.结果显示,应用RC-IGBT后总体损耗有所降低,验证了RC-IGBT退饱和脉冲控制的有效性.     

混合动力汽车对功率模块稳定性的要求

汽车用功率半导体模块的的使用寿命取决于其工作环境和基于运行工况对其提出的稳定性要求。为了评估用于混合动力汽车（HEV）功率半导体模块所具备的热循环、功率循环能力,使用了汽车行驶工况循环曲线来计算模块的热可靠性要求。这种计算是基于模块损耗、热仿真模型和模块寿命模型。本文通过将功率模块连接至不同的冷却系统,探讨了主动／被动热应力条件下,诸如IGBT芯片焊接或绑定线连接等键合点。     

NPC三电平逆变器IGBT损耗计算

为计算NPC三电平逆变器IGBT模块损耗,提出了一种精确计算方法。首先,结合NPC三电平工作时序,对NPC三电平电路在一个输出周期内进行详细分析,得到正负半周内IGBT模块的工作状态与电流流通路径,给出损耗发生的具体对象与类型,并建立IGBT工作电流函数;其次,基于对IGBT模块损耗相关的耦合参数的分析,建立损耗与各个参数的函数关系;最后,结合IGBT模块的热力学模型,通过样机实测温度,得出最终结果。结果表明,所建立的IGBT模块损耗强相关参数函数准确;NPC三电平逆变电路工作时序与IGBT模块损耗分析合理,由此计算的结果可精确反应IGBT实际损耗。     

PWM整流器中IGBT结温特性的研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是风电系统中PWM整流器的核心器件,而结温是影响IGBT使用寿命的主要因素,因此有必要对PWM整流器中IGBT工作状态下的结温特性进行研究。文章详细介绍了IGBT模块结构和SVPWM调制策略,设计了PWM整流器中IGBT测温系统的实验电路,搭建了实验平台。使用光纤对IGBT在工作状态下的结温进行了测量,获得了结温工作曲线,并分析了IGBT结温温升的曲线特征以及变化规律,为整流器中IGBT的可靠性研究提供了依据。     

基于IGBT模块的电能质量治理设备能耗状况及节能分析

本文重点研究了基于IGBT模块的电能质量类治理设备的能耗状况及节能路径.首先,对典型拓扑结构的SVG、APF、MEC在额定输出工况下的损耗特性进行了分析,确定了主要耗能部分;随后,分析了IGBT模块能耗机理及降耗可行性路径;最后,总结出现阶段国内基于IGBT模块的电能质量类治理设备降低自身工作能耗的重点改进方向.     

混合封装电力电子集成模块内功率电路对驱动保护电路的热影响

混合封装电力电子集成模块(IPEM)是目前中功率范围内电力电子集成的主要方式。IGBT器件与控制和驱动电路高密度地封装在一起,IGBT的发热对驱动保护电路会产生非常不利的影响,我们针对这个问题进行了研究。利用三维有限元法建立了模块内的传热模型,对不同发热功率下IGBT的结温以及驱动保护电路PCB的最高温度进行了计算和分析。另外,对功率电路与驱动保护电路PCB之间存在空气隙以及模块完全被密封后模块内的传热问题也进行了实验研究。     

IPOSIM-IGBT仿真工具在UPS设计中的应用

IPOSIM是一个功能强大的IGBT仿真工具,能够计算IGBT和续流二极管的开关损耗和导通损耗,仿真其温度分布和结温纹波,又增添一些灵活的负荷定义、比较等功能,因而更具价值。文中简单介绍了计算1GBT损耗的基本理论和相关热分析模型以及应用该工具的相关原则。同时,结合UPS的基本特点和负载特性,重点分析如何有效地利用这个工具来选择IGBT,以及掌握在不同设计和应用条件下1GBT的运行状态。最后以5kVA UPS的实际应用作为案例。     

IGBT模块功率循环疲劳寿命预测

随着IGBT功率模块的广泛应用,其功率循环可靠性问题得到关注和重视.介绍了模块的功率循环失效机理,指出铝键合线剥离是模块功率循环失效的原因;基于有限元法计算了模块在功率循环过程中的温度分布与变化,并在此基础上计算了模块的应力应变:根据应力应变数值的计算结果,分别采用应变能法和应变法等两种疲劳破坏准则,预测了键合线疲劳寿命.研究表明,铝键合线根部为模块的疲劳危险区:随着芯片热损耗的增加,芯片结温变化幅度的增加,功率模块疲劳寿命急剧地减小.     

压力对换流阀用压接型IGBT器件功率损耗的影响

功率损耗一直是功率半导体器件应用时备受关注的问题.压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件靠外部压力使内部各个组件保持电气和机械连接,因此压力直接或间接地影响着压接型IGBT器件的功率损耗.将压接型IGBT器件工作时产生的结温作为耦合变量引入,基于此建立了IGBT器件应用于调制脉宽(PWM)换流设备时的功率损耗计算模型,并详细分析了影响功率损耗的各种因素,包括机械压力、开关频率等.以换流阀用3 300 V/1 500 A压接型IGBT器件为例,采用有限元法研究了压力对压接型IGBT器件功率损耗的影响,重点探讨了器件内部各芯片功率损耗的变化情况.结果表明,增加压力一定程度上可以降低压接型IGBT器件的功率损耗,改善器件内部芯片结温分布不均的问题.     

IGBT模块的并联从最坏情况模拟到完全统计方法

利用并联IGBT模块的蒙特卡罗模拟方法,可以基于器件中的随机模块参数和系统不平衡度计算出电流不平衡、开关损耗及结温.