功率器件的快速發(fā)展使其廣泛應用在航天、風電、電動汽車等領域中,然而越來越高的功率密度以及惡劣的運行環(huán)境等對功率器件的可靠性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。模塊在運行過程中產(chǎn)生的功率損耗使模塊處于循環(huán)波動的溫度下,隨之產(chǎn)生交變的熱應力使得模塊內(nèi)各層材料受到擠壓或者拉伸,長期運行下導致模塊失效。因此,有必要對運行狀態(tài)下模塊的結溫進行估測,這樣一方面可以采取措施使模塊工作在安全的溫度范圍內(nèi),另一方面可以進行模塊的結溫優(yōu)化。隨著功率模塊功率密度的增大,芯片之間的距離越來越近,模塊工作時,芯片的溫度會相互影響,這會造成模塊溫度進一步的增大。即模塊的結溫不僅包括自身損耗產(chǎn)生的熱量也會受到來自其他芯片的熱影響。然而,傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡模型未考慮到芯片之間的熱影響作用,使用傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡模型對芯片溫度進行預測將會得到較低的溫度,使結溫預測產(chǎn)生較大的誤差,有必要建立新的熱網(wǎng)絡模型以精確的獲取功率模塊的結溫。因此本文首先分析模塊內(nèi)熱傳導情況,基于模塊內(nèi)熱的橫向傳導分析熱交叉耦合作用的機理,并根據(jù)單芯片工作時其他芯片受到的溫度影響建立交叉耦合熱網(wǎng)絡模型,進而通過有限元仿真獲取模型中的熱阻、熱容參數(shù)。并且對交叉耦合熱網(wǎng)絡模型、傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡模型以及有限元模型獲取的平均結溫情況進行對比。然后基于所提出的交叉耦合熱網(wǎng)絡模型搭建關于有源負載電路的電熱耦合模型,進行不同運行條件下芯片溫度的預測,同時搭建有源負載實驗平臺進行模型的驗證。進一步地,分別基于傳統(tǒng)模型以及交叉耦合熱網(wǎng)絡模型搭建關于三相電機的電熱耦合模型,來模擬汽車運行在美國城市循環(huán)工況(UDDS)時,變流器用功率模塊的結溫情況,并進行模塊的損傷估計以及壽命預測,以研究耦合模型對模塊壽命的影響。最后利用有限元仿真軟件對功率模塊熱阻以及工作時受到的熱應力進行分析,以進行模塊封裝參數(shù)的優(yōu)化。對比優(yōu)化前、后的模塊在UDDS汽車運行工況下的結溫可見,優(yōu)化后的模塊可以得到較小的芯片溫度,從而在一定程度上提高模塊的可靠性。
【學位單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM933.3
【部分圖文】：

模塊長期運行在嚴酷的條件下，將會導致嚴重的老化以及可靠性問題在電力系統(tǒng)失效中，21%的失效為半導體失效所導致[5,6]，如圖 1-1(交流調(diào)速系統(tǒng)的故障源于功率器件的失效[7]。研究人員發(fā)現(xiàn)，IGBT式主要有：鍵合線剝落，芯片的金屬化重建，焊料疲勞等失效形式[說，造成其失效的因素有很多，除了外部環(huán)境因素如圖 1-1(b)所示的、污染物的影響[5,6]外，過電壓：集電極-射極電壓或門極-射極電壓過流與過載；過應力導致的陶瓷裂紋以及內(nèi)部焊料重新熔化等[9]都會造針對功率模塊常見的失效形式分析其失效原因：模塊運行過程的功率環(huán)變化的溫度下，由于模塊內(nèi)部各層材料熱膨脹系數(shù)(CTE)不同而產(chǎn)導致焊層材料、鍵合線等疲勞老化以及器件熱特性退化，這又進一步，加速模塊老化過程，正反饋作用下導致模塊失效。功率模塊結溫作效的關鍵因素，對變流器系統(tǒng)的可靠性有著巨大的影響，并且影響著以及使用壽命。因此，需要精確獲取功率器件的結溫情況。

法是：光束聚焦在半導體芯片的中心區(qū)域時會從半導散射的光能是局部半導體芯片溫度的函數(shù)，測量光片的溫度。文獻[10-13]各自利用紅外傳感器(IR)，率模塊的結溫進行測量，可映射出功率模塊的結溫如熱敏電阻[14]，熱電偶等可用來獲得功率半導體器內(nèi)安裝熱敏電阻(NTC)，使用戶能夠方便的進行結感元件，Motto 等人提出在芯片表面添加半導體二極管 RT于二極管的正向壓降與溫度呈線性關系，因此可以

過程或關斷過程中產(chǎn)生的損耗，靜態(tài)損耗為模塊處于導通狀態(tài)下或關斷狀態(tài)下的。運行在變流狀態(tài)下 IGBT 功率器件，其內(nèi)部 IGBT 芯片以及二極管芯片處于不斷通、關斷過程中，因此有必要對其動態(tài)損耗以及靜態(tài)損耗進行分析。.1.1 芯片的開關損耗以及飽和壓降對于功率模塊而言，其損耗包括 IGBT 芯片損耗以及反并聯(lián)二極管芯片的損耗。率模塊處于變流狀態(tài)時，其內(nèi)部 IGBT 芯片的損耗主要包括開關損耗以及導通損耗于二極管的開通損耗很小，可忽略不計[59]，其損耗主要包括關斷損耗以及導通損耗此，有必要研究 IGBT 與二極管芯片在一次開、關過程中產(chǎn)生的損耗以及芯片的飽降情況，以進行模塊的平均損耗分析。芯片在一次開、關過程中產(chǎn)生的損耗可以通過雙脈沖實驗進行獲取[59]，也可以從廠家提供的數(shù)據(jù)手冊上直接獲取。以英飛凌 FF50R12RT4 功率模塊為例，數(shù)據(jù)手冊供了 125 度以及 150 度溫度下的 IGBT 一次開、關過程的損耗，如圖 2-1(a)，(b)所示
【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

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相關碩士學位論文 前3條

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本文編號：2851138