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。     

计及杂散电感的多芯片IGBT模块损耗计算

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块封装杂散参数影响内部多芯片并联电流和损耗分布的问题,提出计及杂散电感影响的IGBT模块内部开关损耗计算方法。首先,基于功率模块内部封装结构建立了计及封装杂散电感影响的IGBT等效电路模型,理论推导和分析封装杂散电感对IGBT动态特性的影响。其次,基于开通折线模型中并联芯片间电流变化率与损耗分布对应关系,理论推导了杂散电感分布参数与各支路开通损耗所占比例之间的函数关系,提出计及杂散电感影响的IGBT模块内部开关损耗计算方法。最后,仿真并实验验证了开通过程中IGBT模块内部电流分布规律,测得在不同负载条件下IGBT模块下桥臂各支路损耗并与理论计算结果进行了比较,验证了所提损耗计算方法的有效性。结果表明,IGBT模块下桥臂各并联芯片开通过程中存在明显不均流现象,导致损耗分布存在差异。     

基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷监测研究

为了准确地评估出IGBT模块的健康水平,及时发现并更换存在缺陷的IGBT模块,提高功率变流器的可靠性,提出了一种基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法。通过监测IGBT模块内部单个芯片等效键合线压降的变化,辨识出IGBT模块内键合线的老化状态,进而判断出IGBT模块的健康水平。实验结果表明,基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法能准确地辨识出模块内键合线的老化过程,与采用监测门极信号辨识模块老化状态的方法相比,所提方法不仅能辨识出单个芯片全部键合线脱落的情况,而且能辨识出部分键合线老化的情况,在辨识精度上有了很大的提高。该方法为确定合适的时机对变流器进行维护、降低系统的维护成本提供了理论依据。     

一种IGBT模块端口等效耦合热阻抗的离散化方波提取法

以绝缘栅双极晶体管(IGBT)的可靠性研究为背景,针对IGBT模块现有热网络建模及耦合热阻抗提取方法的不足,提出一种采用离散化方波提取模块内部IGBT芯片及反并联二极管(FWD)之间耦合热阻抗的方法。该方法基于热敏电参数(TSEP)测量结温的原理和热网络响应特性,将IGBT模块视为一个黑盒子,通过基于模块端口TSEP的测量来建立其内部热学行为的等效热网络模型,从而可普遍适用于多种内部封装结构的模块。最后通过采用所提方法,对一款典型多芯片并联封装的模块进行实验测量,验证了所提方法的可行性和准确度。     

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。     

基于特定集电极电流下饱和压降的IGBT模块老化失效状态监测方法

为提高功率变流器的可靠性,提出一种基于特定条件下集射极饱和压降V_(CE(on))的IGBT模块老化失效状态监测方法。特定集电极电流条件指的是不同温度下的多条IC-VCE输出特性曲线的交点对应的集电极电流,监测对应的V_(CE(on)),根据V_(CE(on))的变化可以对IGBT模块的健康状态进行评估。该方法可以忽略芯片结温对评估结果的影响。首先根据IGBT模块饱和压降的等效模型,结合IGBT模块输出特性曲线的特点,分析得出曲线交点处对应的V_(CE(on))不受温度影响,然后阐明IGBT模块老化对V_(CE(on))的影响关系。最后分别采用对IGBT模块进行加速老化实验验证方法和人为逐根剪断键合线模拟老化情况的验证方法,对不同工况下IGBT模块的V_(CE(on))进行测量和分析。实验结果表明,在特定条件下,IGBT模块的V_(CE(on))不受芯片结温的影响,只与模块老化程度有关,可作为IGBT模块老化状态监测的特征参数,实验结果与理论分析一致。     

压接IGBT器件并联子模组热阻分布实验研究

在刚性压接型IGBT模块中,并联芯片的压力分布直接决定了接触热阻和接触电阻的大小。通常无法测量器件正常工作时的压力分布及其引起的热阻分布。为了分析压接IGBT模块内部各子模组的压力分布情况和热阻分布情况,提出一种利用器件特性和热阻实验测量压接IGBT模块并联子模组热阻分布的方法。在此方法基础上,详细研究不同压力和电流条件下的热阻分布。实验结果表明,由于外部压力、器件特性和连接导体的差异,压接IGBT模块内部并联子模组间的结温、电流和热阻分布具有很大的分散性。提出的测量方法可以有效验证压接IGBT模块在一定封装条件下的结温、热阻和压力分布特性。     

压接IGBT器件并联子模组热阻分布实验研究

在刚性压接型IGBT模块中,并联芯片的压力分布直接决定了接触热阻和接触电阻的大小。通常无法测量器件正常工作时的压力分布及其引起的热阻分布。为了分析压接IGBT模块内部各子模组的压力分布情况和热阻分布情况,提出一种利用器件特性和热阻实验测量压接IGBT模块并联子模组热阻分布的方法。在此方法基础上,详细研究不同压力和电流条件下的热阻分布。实验结果表明,由于外部压力、器件特性和连接导体的差异,压接IGBT模块内部并联子模组间的结温、电流和热阻分布具有很大的分散性。提出的测量方法可以有效验证压接IGBT模块在一定封装条件下的结温、热阻和压力分布特性。     

多芯并联封装IGBT缺陷与失效先导判据

器件由于内部芯片失效而产生IGBT故障,且检测保护困难,大多只能在系统外特性上加以防护,本体还是会受较大损害。高压大功率IGBT模块内部由多芯片和大量键合线构成,器件功能失效很大部分是由铝键合线脱落或者断裂引起的。提早发现或辨知此类缺陷或失效导致的电气特性变化,是构建IGBT故障的先导判据条件,有利于规避潜在故障风险,提高IGBT利用可靠性。针对英飞凌6.5kV多芯片并联封装IGBT模块的布局结构和连接特点,分析连接寄生参数差异对芯片工作状态的影响。以模块内部芯片间键合线的杂散电感和栅极电容参数为研究对象,利用最小二乘法参数辨识机制,构建一种区分模块缺陷与失效的先导判据。研究IGBT模块和元胞栅极等效电路,分析键合线故障导致的电路参数和工作特性变化,通过采样栅极电压与电流数据,利用最小二乘法参数估计得到故障类型及杂散参数数值,通过仿真与实验验证了该方法的有效性。     

高压多芯片并联 IGBT 模块故障监测方法

绝缘栅双极型晶体管( IGBT) 作为电力电子装置的关键核心器件,其高可靠性是系统长久稳定运行的重要保障,对 IGBT 模块进行故障监测是提高系统可靠性的有效方式之一。 提出一种新的健康敏感参数-栅极-发射极导通前电压 VGE(pre-on) , 用于监测高压多芯片并联 IGBT 模块中的 IGBT 芯片故障。 首先,对现有故障监测方法进行比较,然后建立导通前电压可靠性 模型,再通过监测导通瞬态期间的 VGE(pre-on)来检测高压多芯片并联 IGBT 模块中的 IGBT 芯片故障。 为验证该方法的可行性,对 16 芯片 DIM800NSM33-F IGBT 模块进行了仿真,结果显示,在不同外部条件下,每个并联 IGBT 芯片故障所产生的导通前电压 VGE(pre-on)的平均偏移约为 900 mV,且具有较高的灵敏度和抗干扰能力,可有效监测 IGBT 模块芯片故障。     

LED散热器散热特性分析及结构优化

发光二极管（LED）以其耗电量少、发光效率高、节能、环保等特点,在现代照明中已经越来越占据主导地位。LED芯片产生的热量随着功率增加而增加,使得基底温度升高,所以散热问题成为LED设计时需要考虑的重要因素之一。本文在对现有的LED肋片散热器结构进行数值分析的基础上,提出了断开开缝式肋片的结构,并对其进行了研究分析。结果表明,在自然对流的情况下,表面传热系数和总热阻受功率影响很小,断开式结构可以提高表面传热系数,但存在最佳开缝数。     

多芯片组件基板的热效应分析

针对大功率多芯片模块,建立了简化传热模型,利用有限元数值方法,对其热阻和温度场进行了稳态和瞬态分析.模拟结果表明:模块的散热方式以热传导为主.由芯片到外壳底面的热通路为主要散热途径,采用导热性能好的基板是非常有效的散热方案:绝缘层热阻占整个基板热阻的65%;模块设计时要尽量减小功率互连引线的寄生电感和电阻.合理安排功率管芯位置,要求布线尽量短而宽.多个功率芯片要尽量均匀分布于基板上,以此降低结温,避免热集中现象.     

Theoretical and Experimental Thermal Analysis of InP Ridge Lasers on Submounts and TO Packages

We have determined the junction temperatures of laser diodes mounted on ceramic submounts and hermetic transistor-outline (TO) packages using data from wavelength-shift measurement as well as finite-element modeling (FEM). We found that the difference in the junction temperature between chip/submount and chip/submount/TO measured at the free-standing room-temperature condition cannot be used as the reference data for the design of accelerated life-test condition at hot oven. For the free-standing condition, the heat spread from the active region of the chip to the chip substrate, submount, and TO. Hence, there was an additional thermal gradient in the chip/submount/TO arising from the thermal impedance of the TO header. For the oven condition, the heat dissipation via forced convection from the outer surface of the TO was important. Hence, the thermal gradient of the TO resulting from heat conduction became smaller. Using the FEM, we showed that the simulated junction temperature was in close agreement with the experimental value. The heating difference between the chip/submount and chip/submount/TO was smaller at the oven condition than at the free-standing condition.     

航空电机及控制器的温度场仿真分析

对一种航空用高功率密度无刷直流电机,建立电机和控制器一体的三维热仿真模型。根据电机系统内部热交换及传热学相关理论,确定系统内散热系数与热边界条件,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对建立的热仿真模型进行温度场仿真与分析,得到了不同环境温度变化情况下电机和控制器的温度场分布和温度对时间变化的曲线。经与试验得到数据进行对比分析,验证了仿真的准确性。这对电机和控制器的设计与温度场计算提供了依据。     

直接空冷扁平翅片管束散热性能的实验研究

扁平翅片管束是电站直接空冷系统的基本散热元件,研究其结构特点和流动换热特性,对于电站空冷系统的优化设计与高效运行具有重要意义。以直接空冷系统典型的连续蛇形翅片扁平管束为研究对象,通过实验研究不同的翅片间距对翅片间冷却空气的流动换热特性的影响,以及垂直进风和倾斜进风工况下,翅片散热性能的变化。结果表明,在相同的风速下,随着翅片间距的减小,翅片的换热系数增大,而阻力系数的变化相对复杂。实验条件下,翅片间距为56.8 mm时整体性能较优。翅片间距一定时,随着风速的增大,换热系数逐渐增大,阻力系数逐渐减小。但随着风速的增加,两者变化趋势渐缓。研究结果为扁平管连续翅片结构的进一步优化提供了基础数据。     

内螺旋外棘齿管对流换热与流阻实验研究

针对火力发电厂无铜化运行需求．研制并加工出一种钢质双侧强化传热管一内螺旋外棘齿管。采用通用的强化传热管试验装置,对5根不同结构参数的内螺旋外棘齿管进行了水平单管管外蒸汽冷凝和流阻特性试验研究。根据大量实验数据,拟合出实验雷诺数尺P范围内的管内换热努塞尔数Nu及阻力系数f的计算关联式,并对内螺旋外棘齿管的热力性能进行了评价。实验研究发现：所有内螺旋外棘齿管管内换热系数比光滑管提高了42％～152％,同时阻力系数增加了48％～350%。最后得出结论：无论在何种工况下运行。内螺旋外棘齿管的换热与流阻综合性能均优于光滑管。可用做发电厂换热设备的管芯。大大提高电厂热能的利用。     

A dynamic electro-thermal model for the IGBT

A physics-based dynamic electrothermal model is developed for the IGBT by coupling a temperature-dependent IGBT electrical model with dynamic thermal models for the IGBT silicon chip, packages, and heatsinks. The temperature-dependent IGBT electrical model describes the instantaneous electrical behavior in terms of the instantaneous temperature of the IGBT silicon chip surface. The instantaneous power dissipated in the IGBT is calculated using the electrical model and determines the instantaneous rate that heat is applied to the surface of the silicon chip thermal model. The thermal models determine the evolution of the temperature distribution within the thermal network and thus determine the instantaneous value of the silicon chip surface temperature used by the electrical model. The IGBT electrothermal model is implemented in the Saber circuit simulator and is connected to external circuits in the same way as the previously presented Saber IGBT model, except that it has an additional thermal terminal that is connected to the thermal network component models for the silicon chip, package, and heatsink. The IGBT dynamic electrothermal model and the thermal network component models are verified for the range of temperature and power dissipation levels (heating rates) that are important for power electronic systems     

周向非均匀热流边界条件下太阳能高温吸热管内湍流传热特性研究

周向非均匀高密度热流引发的过热问题一直影响着太阳能热发电站中高温吸热器的运行安全。该文建立了太阳能高温吸热管对流换热电加热实验台和数值计算模型,通过实验研究和模拟计算,研究了周向非均匀热流边界条件下吸热管壁温度分布规律。研究结果显示:周向非均匀热流边界条件下吸热管壁温度分布与截面圆心角余弦呈函数关系,实验测量结果与数值计算结果吻合较好;经典Dittus-Boelter公式仍可用于计算周向非均匀热流边界条件下吸热管内的换热计算,但不适用于管壁温度分布计算。文中给出了周向非均匀热流边界条件下吸热器管壁温度计算关联式。     

Design of the winding–bushing interconnections in large power transformers

The paper presents the improvement in design of the conductor connecting the windings and bushings in oil power transformers. This is a sensitive part of large transformers and there is a need to optimise its manufacturing time and costs. The thermal problem of the heating of this conductor with increased insulation thickness on a part of it is treated using a non-linear two-dimensional thermal model. The experiments performed made determining of some problematic parameters (heat resistance of oil-paper insulation and the paper to oil convection heat transfer coefficient) of the thermal model feasible. The results obtained are of practical interest in the design practice of interconnections, but also affect the important parameters of heat transfer by devices with oil immersed paper insulation.     

低压变频器功率单元温度波动问题研究

为了更好地在设计和运行中使强迫风冷式低压变频器和负荷相匹配,针对影响变频器寿命的IGBT芯片的温度波动问题,在变频器功率模块热路模型基础上运用非稳态传热理论研究。结合脉宽调制特点讨论典型功耗热源的产生和计算,以及周期负荷对功率模块其他部件和芯片的不同热效应及计算。基于热膨胀原理研究芯片温度波动与变频器寿命的关系。通过研究得出温度波动与功耗脉冲周期的关系,以及作为温度波动的主要影响区段,在变频器低输出频率区间如何计算以实施降低输出电流、开关频率等应对温度波动的措施。