【摘要】：隨著電力電子學(xué)的快速發(fā)展,電力電子裝置的大量投運(yùn),電力電子裝置的可靠性問題受到越來越多的重視。功率半導(dǎo)體器件是電力電子裝置中最重要,也是最容易失效的元器件,功率半導(dǎo)體器件的可靠性在一定程度上決定了整個(gè)電力電子裝置的可靠性。因此,提高功率半導(dǎo)體器件的可靠性對提高電力電子裝置整體的可靠性具有重大意義。結(jié)溫管理技術(shù)是提高功率半導(dǎo)體器件壽命期望的有效技術(shù)手段,近年來有關(guān)結(jié)溫管理的研究報(bào)道逐漸增多,但其重點(diǎn)圍繞在結(jié)溫調(diào)節(jié)方法上面。在結(jié)溫調(diào)節(jié)的控制方法方面,尤其是結(jié)溫管理策略方面的研究還缺乏相關(guān)的研究。論文以焊接式封裝絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模塊為研究對象,從結(jié)溫管理的仿真模型入手,研究了結(jié)溫調(diào)節(jié)的控制方法,討論了全局結(jié)溫管理策略,最后針對現(xiàn)有結(jié)溫調(diào)節(jié)方法的局限性提出了一種新的結(jié)溫調(diào)節(jié)方法。1)IGBT行為模型的參數(shù)一般來源于IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊,和每個(gè)IGBT模塊真實(shí)的參數(shù)存在誤差。針對IGBT行為模型參數(shù)不準(zhǔn)確的問題,論文提出了一種IGBT行為模型參數(shù)校正方法。推導(dǎo)了IGBT開關(guān)暫態(tài)中各工作模態(tài)持續(xù)時(shí)間的表達(dá)式,歸納出影響各工作模態(tài)持續(xù)時(shí)間的模型參數(shù)并總結(jié)了模型參數(shù)的調(diào)整方法。通過對比不同負(fù)載電流下雙窄脈沖實(shí)驗(yàn)和仿真的暫態(tài)波形,驗(yàn)證了模型參數(shù)的通用性;最后將參數(shù)校正后的行為模型應(yīng)用于BUCK拓?fù)浞抡?驗(yàn)證了校正參數(shù)后的行為模型能夠較為準(zhǔn)確地描述實(shí)際IGBT模塊的開關(guān)暫態(tài)特性。2)現(xiàn)有結(jié)溫調(diào)節(jié)控制方法普遍采用基于結(jié)溫估算的開環(huán)控制方式,由于沒有真實(shí)結(jié)溫的反饋,導(dǎo)致結(jié)溫調(diào)節(jié)效果不理想,只應(yīng)用于驗(yàn)證結(jié)溫調(diào)節(jié)方法的實(shí)驗(yàn)。為此,論文首次提出了使用基于殼溫溫差補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)溫調(diào)節(jié)閉環(huán)控制方法。根據(jù)瞬態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)模型討論了殼溫溫差補(bǔ)償?shù)倪m用范圍;根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)模型推導(dǎo)了殼溫溫差補(bǔ)償方法。3)為對論文所提方法進(jìn)行驗(yàn)證,搭建了結(jié)溫管理實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺為三相橋式逆變器,設(shè)計(jì)額定功率為20kW,采用SPMW調(diào)制。為準(zhǔn)確監(jiān)測IGBT結(jié)溫,實(shí)驗(yàn)平臺使用了開封未灌膠的IGBT模塊,采用紅外測溫儀直接測量結(jié)溫。此外,還在IGBT芯片正下方的底板上開槽,用于埋入熱電偶監(jiān)測IGBT模塊殼溫。通過該實(shí)驗(yàn)平臺對基于殼溫溫差補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)溫調(diào)節(jié)閉環(huán)控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以有效的提高結(jié)溫調(diào)節(jié)方法的效果,并且殼溫溫差補(bǔ)償過程和理論分析相符。4)針對半導(dǎo)體器件的壽命周期較長,從工程實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)結(jié)溫管理效果的反饋周期較長的問題,論文總結(jié)了IGBT壽命期望估算方法,并將該方法應(yīng)用于評價(jià)結(jié)溫管理效果。針對結(jié)溫管理對象具有處理功率波動(dòng)范圍大、波動(dòng)隨機(jī)等特點(diǎn),提出了基于冪函數(shù)分配規(guī)則的全局結(jié)溫管理策略。首先從最簡單的線性分配規(guī)則入手,然后根據(jù)線性規(guī)則存在的問題對全局管理策略進(jìn)行了討論。為保證負(fù)載在全域波動(dòng)時(shí),結(jié)溫管理不會(huì)對IGBT壽命期望造成負(fù)面影響,需要改變不同電流時(shí)損耗補(bǔ)償?shù)男甭?因此提出了冪函數(shù)分配規(guī)則。針對全局結(jié)溫管理策略調(diào)節(jié)能力不足的問題,提出了為負(fù)載剖面加窗的全局結(jié)溫管理策略優(yōu)化方法,并針對負(fù)載信息預(yù)知量的多少,討論了不同的加窗方法。最后對全局結(jié)溫管理策略及加窗方法進(jìn)行了實(shí)際算例驗(yàn)證。5)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率是目前使用最為廣泛的結(jié)溫調(diào)節(jié)方法,該方法具有控制簡單、不需要增加額外硬件的優(yōu)點(diǎn),但是該方法不能單獨(dú)調(diào)整某一個(gè)IGBT的熱載荷。除調(diào)節(jié)開關(guān)頻率之外,其它結(jié)溫調(diào)節(jié)方法也都有一定的局限性,如實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜,增加了新的安全隱患等。針對目前結(jié)溫調(diào)節(jié)方法存在的局限性,論文首次提出了基于等效關(guān)斷軌跡的結(jié)溫調(diào)節(jié)方法。提出了可以移動(dòng)IGBT關(guān)斷軌跡的關(guān)斷軌跡調(diào)節(jié)電路(turn-off trajectory adjustment circuit,TTAC),詳細(xì)的闡述了TTAC的工作原理;根據(jù)TTAC的工作原理,分析了TTAC中器件參數(shù)對IGBT關(guān)斷損耗的影響;根據(jù)器件參數(shù)對關(guān)斷損耗的影響,推導(dǎo)了TTAC調(diào)節(jié)能力的評估方法以及TTAC控制變量和IGBT關(guān)斷損耗的關(guān)系;最后做在論文搭建的結(jié)溫管理實(shí)驗(yàn)平臺上做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析相符。和現(xiàn)有的結(jié)溫調(diào)節(jié)方法相比,論文提出的結(jié)溫調(diào)節(jié)方法具有可以獨(dú)立調(diào)節(jié)每一個(gè)IGBT模塊的熱載荷、不會(huì)對變流器系統(tǒng)引入新的安全隱患、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)。
【圖文】：

尤其是工作在非平穩(wěn)工況下的電力電子裝置[1-2]。電力電到越來越多的重視。電力電子裝置一般由功率半導(dǎo)體器件采樣和處理電路，控制電路，驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其中，功元器件，如圖 1.1 所示[3]，功率半導(dǎo)體器件的可靠性在一定電子裝置的可靠性。因此，提高功率半導(dǎo)體器件的可靠性體的可靠性具有重大意義。功率半導(dǎo)體器件中，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated GBT）是繼第一代晶閘管器件，第二代 GTO 和功率 MOSF導(dǎo)體器件的典型代表，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。根，IGBT 具有不同的封裝形式。應(yīng)用在小功率場合的 IGB用于中大功率場合的主要是 IGBT 模塊，根據(jù)引線鍵合的分為焊接式封裝和壓接式封裝；應(yīng)用在超大功率場合的則中焊接式封裝的 IGBT 模塊在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，本T模塊為研究對象，本文中的IGBT模塊均指焊接式封裝的

模塊失效主要分兩種情況，一種是外部機(jī)制引起的失效，如穩(wěn)態(tài)過電流、穩(wěn)態(tài)過電壓、開通過電流、關(guān)斷過電壓、閂鎖效應(yīng)、宇宙射線等。這種失效一般是因?yàn)槭褂貌划?dāng)、制造工藝問題或人為控制失誤等原因造成的。各種電應(yīng)力在 IGBT 模塊內(nèi)部造成不同位置和不同程度的損壞，如因穩(wěn)態(tài)過電流、過電壓失效的掃瞄式電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）圖像如圖 1.2 所示[4]。應(yīng)對該類失效的主要方法是為 IGBT 模塊增加保護(hù)電路，如過壓、過流保護(hù)電路；增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電路可靠性以防止閂鎖效應(yīng)等。另外一種情況是 IGBT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)老化引起的失效，如IGBT 芯片失效，IGBT 封裝失效，這是一種因 IGBT 長期經(jīng)受功率循環(huán)造成的熱沖擊，引起 IGBT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)退化的失效。相比于 IGBT 芯片，IGBT 模塊的封裝更加脆弱。一般的，IGBT 模塊老化失效都是由于封裝失效造成，本文中 IGBT 模塊失效均指 IGBT 模塊封裝失效。該類失效屬于 IGBT 經(jīng)過正常的壽命消耗，，最終的 “壽終正寢”，不能通過增加保護(hù)電路消除。同時(shí)該類失效也是功率器件可靠性主要關(guān)心的問題，希望通過在已認(rèn)知的失效機(jī)理基礎(chǔ)上，提高 IGBT 模塊的使用壽命。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN322.8

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 杜雄;李高顯;李騰飛;孫鵬菊;周雒維;;風(fēng)電變流器IGBT模塊的多時(shí)間尺度壽命評估[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2015年23期

2 杜雄;李高顯;李騰飛;孫鵬菊;周雒維;;一種用于提高風(fēng)電變流器中功率器件壽命的混合空間矢量調(diào)制方法[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2015年19期

3 杜雄;李高顯;吳軍科;孫鵬菊;周雒維;;一種用于風(fēng)電變流器可靠性評估的結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2015年11期

4 郭永;賀超;陳國柱;;驅(qū)動(dòng)脈沖邊沿調(diào)制技術(shù)及其在開關(guān)尖峰抑制上的應(yīng)用[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2015年06期

5 吳銳;溫家良;于坤山;陳中圓;韓健;蔚泉清;;電壓源換流器開關(guān)器件損耗建模[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2012年21期

6 魏克新;杜明星;;基于集總參數(shù)法的IGBT模塊溫度預(yù)測模型[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2011年12期

7 陳材;裴雪軍;陳宇;汪洪亮;康勇;;基于開關(guān)瞬態(tài)過程分析的大容量變換器雜散參數(shù)抽取方法[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2011年21期

8 毛鵬;謝少軍;許澤剛;;IGBT模塊的開關(guān)暫態(tài)模型及損耗分析[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2010年15期

9 鄧夷;趙爭鳴;袁立強(qiáng);胡斯登;王雪松;;適用于復(fù)雜電路分析的IGBT模型[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2010年09期

10 何山;王維慶;張新燕;趙祥;李勇偉;;大型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子溫度場研究[J];太陽能學(xué)報(bào);2009年06期

本文編號：2654270