發(fā)布時(shí)間：2020-04-09 17:50

【摘要】：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT)因其具有飽和壓降低,通態(tài)電流小等優(yōu)點(diǎn)而成為如今新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)的重要單元,因此其安全可靠性也受到越來越多的關(guān)注。當(dāng)前IGBT模塊器件封裝形式主要有焊接式和壓接式兩種,而其中焊接式發(fā)展較成熟,應(yīng)用較廣泛。本文基于多物理場耦合角度,建立IGBT模塊的三維模型,對焊接式IGBT模塊的幾種失效狀態(tài)進(jìn)行仿真研究,進(jìn)而提出優(yōu)化模塊的可能。主要研究成果如下:1.基于多物理場有限元仿真軟件,選取一種IGBT模塊,建立其三維模型,分別將鍵合線和焊料層作為主要研究對象。由于研究側(cè)重點(diǎn)的不同,分別建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ?以適應(yīng)不同的研究需求。當(dāng)鍵合線為研究對象時(shí),以刪除引線的方式模擬鍵合線脫落的工作狀態(tài);當(dāng)焊料層為研究對象時(shí),忽略鍵合線的存在,簡化模型進(jìn)行研究。2.首先分別對鍵合線穩(wěn)態(tài)情況和暫態(tài)情況下進(jìn)行仿真,重點(diǎn)觀察鍵角上表面、下表面的溫度變化情況,以及整個(gè)模塊最高溫度,得到影響IGBT模塊溫度分布的主要因素。再仿真鍵合線故障后的工作狀態(tài),得到鍵合線部分脫落對IGBT模塊可靠性的影響。然后對焊料層正常工作的情況仿真以作對比,再研究焊料層空洞不同位置、不同大小對IGBT模塊芯片最高溫度的影響,以得到影響焊料層可靠性的關(guān)鍵因素。3.提出一種新的材料C7025作為鍵合線材料較傳統(tǒng)鋁線作為鍵合線原料時(shí)可能存在的優(yōu)勢,并通過與鋁線的對比驗(yàn)證可行性,以達(dá)到盡可能延長IGBT模塊鍵合線使用壽命的目的。研究新型材料Sn-Ag-Cu-0.5Sb作為焊料較傳統(tǒng)焊料層材料Sn-Ag-Cu的優(yōu)勢,通過仿真各種工況下兩種焊料的性能對比,加以證明新焊料的優(yōu)勢,以達(dá)到盡可能延長IGBT模塊焊料層使用壽命的目的。通過以上對IGBT模塊可靠性的研究建模仿真,提出的可能優(yōu)化模塊的方法,可以對延長IGBT模塊使用壽命提供一些指導(dǎo)意義。
【圖文】：

圖 1-1 IGBT 的應(yīng)用領(lǐng)域IGBT 的發(fā)展，將兩個(gè)或者更多的 IGBT 芯片按一定的電路樹脂封裝起來，從而形成 IGBT 模塊。IGBT 模塊應(yīng)用的開關(guān)頻率更高、體積更小。這一趨勢需要更大的動(dòng)態(tài)負(fù)在 IGBT 模塊的長期使用過程中，模塊要承受溫度和應(yīng)都會(huì)加速材料的疲勞、失效，尤其根據(jù)工業(yè)部門的統(tǒng)計(jì)起的失效損壞占將近六成。鑒于 IGBT 模塊的制造、維長其使用壽命，提高其可靠性以滿足電力電子系統(tǒng)可持，雖然在眾多學(xué)者的不斷研究探索下，提高電力電子器大的提高，但是無奈隨著科技的進(jìn)步，工作狀態(tài)愈加復(fù)的可靠性和失效、故障問題就應(yīng)運(yùn)而生。所以繼續(xù)不停況、預(yù)測更多可能出現(xiàn)的情況、提出更多以各種角度提可能、對各種工況下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)意義和實(shí)際價(jià)值的[6,8,9]。

20 世紀(jì) 60 年代，可控硅整流器(SCR)開始被應(yīng)用于許多電力電子設(shè)備，隨進(jìn)的可控硅導(dǎo)致了電力變換器的開發(fā)。隨著脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)的發(fā)開始對具有快速開關(guān)、高耐受能力的 自開關(guān) 器件有強(qiáng)烈的需求�？申P(guān)斷TO)晶閘管和具有多擴(kuò)散層的平面型達(dá)林頓雙極功率晶體管應(yīng)運(yùn)而生。在 20 70 年代，功率 MOSFET 開始商業(yè)化。但是，因?yàn)槿匀淮嬖谥旅娜毕荩核拈]鎖性能很差，因此，，新型的 MOS 門控雙極器件于 1985 年首次成功市場，被命名為絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，簡IGBT）[46]。IGBT 功率模塊是指由兩個(gè)或多個(gè) IGBT 按著一定的電路原理，進(jìn)行連接和而構(gòu)成的功率模塊。其實(shí)是一種復(fù)合的功率器件，它集合了雙極型功率晶以及功率 MOSFET 的雙重優(yōu)點(diǎn)。又因其先進(jìn)的加工技術(shù)，使得模塊的通態(tài)電壓較低、開關(guān)頻率較高。目前大體分為電壓低、電流小的分立式 IGBT，應(yīng)用于小容量的電力電子裝置；電流可達(dá)數(shù)十到千安、電壓達(dá)數(shù)千伏的T 模塊，主要應(yīng)用于大電壓、大電流的電力電子裝置，如圖 2-1 所示[6]。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN322.8

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本文編號(hào)：2621070