功率器件的快速發(fā)展使其廣泛應(yīng)用在航天、風(fēng)電、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中,然而越來越高的功率密度以及惡劣的運(yùn)行環(huán)境等對(duì)功率器件的可靠性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。模塊在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的功率損耗使模塊處于循環(huán)波動(dòng)的溫度下,隨之產(chǎn)生交變的熱應(yīng)力使得模塊內(nèi)各層材料受到擠壓或者拉伸,長期運(yùn)行下導(dǎo)致模塊失效。因此,有必要對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下模塊的結(jié)溫進(jìn)行估測(cè),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(jìn)行模塊的結(jié)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(shí),芯片的溫度會(huì)相互影響,這會(huì)造成模塊溫度進(jìn)一步的增大。即模塊的結(jié)溫不僅包括自身損耗產(chǎn)生的熱量也會(huì)受到來自其他芯片的熱影響。然而,傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)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(luò)模型對(duì)芯片溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)將會(huì)得到較低的溫度,使結(jié)溫預(yù)測(cè)產(chǎn)生較大的誤差,有必要建立新的熱網(wǎng)絡(luò)模型以精確的獲取功率模塊的結(jié)溫。因此本文首先分析模塊內(nèi)熱傳導(dǎo)情況,基于模塊內(nèi)熱的橫向傳導(dǎo)分析熱交叉耦合作用的機(jī)理,并根據(jù)單芯片工作時(shí)其他芯片受到的溫度影響建立交叉耦合熱網(wǎng)絡(luò)模型,進(jìn)而通過有限元仿真獲取模型中的熱阻、熱容參數(shù)。并且對(duì)交叉耦合熱網(wǎng)絡(luò)模型、傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)模型以及有限元模型獲取的平均結(jié)溫情況進(jìn)行對(duì)比。然后基于所提出的交叉耦合熱網(wǎng)絡(luò)模型搭建關(guān)于有源負(fù)載電路的電熱耦合模型,進(jìn)行不同運(yùn)行條件下芯片溫度的預(yù)測(cè),同時(shí)搭建有源負(fù)載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模型的驗(yàn)證。進(jìn)一步地,分別基于傳統(tǒng)模型以及交叉耦合熱網(wǎng)絡(luò)模型搭建關(guān)于三相電機(jī)的電熱耦合模型,來模擬汽車運(yùn)行在美國城市循環(huán)工況(UDDS)時(shí),變流器用功率模塊的結(jié)溫情況,并進(jìn)行模塊的損傷估計(jì)以及壽命預(yù)測(cè),以研究耦合模型對(duì)模塊壽命的影響。最后利用有限元仿真軟件對(duì)功率模塊熱阻以及工作時(shí)受到的熱應(yīng)力進(jìn)行分析,以進(jìn)行模塊封裝參數(shù)的優(yōu)化。對(duì)比優(yōu)化前、后的模塊在UDDS汽車運(yùn)行工況下的結(jié)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(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM933.3
【部分圖文】：

模塊長期運(yùn)行在嚴(yán)酷的條件下，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)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(dǎo)體失效所導(dǎo)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(yīng)力導(dǎo)致的陶瓷裂紋以及內(nèi)部焊料重新熔化等[9]都會(huì)造針對(duì)功率模塊常見的失效形式分析其失效原因：模塊運(yùn)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(dǎo)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(jìn)一步，加速模塊老化過程，正反饋?zhàn)饔孟聦?dǎo)致模塊失效。功率模塊結(jié)溫作效的關(guān)鍵因素，對(duì)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(jié)溫情況。

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

過程或關(guān)斷過程中產(chǎn)生的損耗，靜態(tài)損耗為模塊處于導(dǎo)通狀態(tài)下或關(guān)斷狀態(tài)下的。運(yùn)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(guān)斷過程中，因此有必要對(duì)其動(dòng)態(tài)損耗以及靜態(tài)損耗進(jìn)行分析。.1.1 芯片的開關(guān)損耗以及飽和壓降對(duì)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(shí)，其內(nèi)部 IGBT 芯片的損耗主要包括開關(guān)損耗以及導(dǎo)通損耗于二極管的開通損耗很小，可忽略不計(jì)[59]，其損耗主要包括關(guān)斷損耗以及導(dǎo)通損耗此，有必要研究 IGBT 與二極管芯片在一次開、關(guān)過程中產(chǎn)生的損耗以及芯片的飽降情況，以進(jìn)行模塊的平均損耗分析。芯片在一次開、關(guān)過程中產(chǎn)生的損耗可以通過雙脈沖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行獲取[59]，也可以從廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)上直接獲取。以英飛凌 FF50R12RT4 功率模塊為例，數(shù)據(jù)手冊(cè)供了 125 度以及 150 度溫度下的 IGBT 一次開、關(guān)過程的損耗，如圖 2-1(a)，(b)所示
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2851138