【摘要】：電能是世界上最重要的能源之一。從電網(wǎng)得到的工頻電能需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換,才能滿足千變?nèi)f化的用電裝置的需要。絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)由于具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的最先進(jìn)的電力電子器件。大功率IGBT模塊往往工作在高開關(guān)頻率和大電流的條件下,這使得IGBT芯片具有很大的功率損耗,造成芯片結(jié)溫的上升。溫度對IGBT的可靠性具有較大影響,一方面,高溫會直接燒毀IGBT芯片,造成器件的失效;另一方面,由于IGBT模塊內(nèi)不同材料的熱膨脹系數(shù)不同,波動的溫度會使各層之間產(chǎn)生熱應(yīng)力,熱應(yīng)力的反復(fù)沖擊將引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展,最終導(dǎo)致器件的失效。因此,研究功率半導(dǎo)體器件IGBT的熱機(jī)械性能,對于提高IGBT模塊的可靠性具有重要意義。本文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對功率半導(dǎo)體器件IGBT模塊的熱機(jī)械性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析,研究內(nèi)容如下:(1)搭建功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺,進(jìn)行功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)。本文分別設(shè)計(jì)了直流(Direct Current,DC)功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)和脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)的主電路,根據(jù)IGBT模塊的功率等級和實(shí)驗(yàn)原理,搭建了功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺,進(jìn)行了不同工況下的DC功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)和PWM功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中對IGBT模塊的特征參量如飽和壓降、殼溫、集電極電流進(jìn)行監(jiān)測。(2)測量不同實(shí)驗(yàn)條件下IGBT模塊的溫度場�；诩t外熱成像儀的外部信號觸發(fā)拍攝功能,采用同步測溫法、變積分時(shí)間測溫法、延遲測溫法,對IGBT模塊在不同工況下的溫度場進(jìn)行了觀測。通過對不同實(shí)驗(yàn)條件下的測溫結(jié)果進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)DC實(shí)驗(yàn)和PWM實(shí)驗(yàn)條件下,芯片結(jié)溫的分布、結(jié)溫上升速率、結(jié)溫波動范圍均有較大差別。通過改變紅外熱成像儀拍攝的積分時(shí)間,測得了IGBT模塊高頻開關(guān)狀態(tài)下一次開通關(guān)斷對芯片結(jié)溫的影響。(3)進(jìn)行電-熱-機(jī)械有限元數(shù)值模擬,研究結(jié)溫變化對IGBT模塊應(yīng)力的影響。首先進(jìn)行電-熱分析,結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果,將IGBT模塊的開關(guān)功率損耗考慮進(jìn)去,獲得了DC實(shí)驗(yàn)條件下和PWM實(shí)驗(yàn)條件下模塊的電流密度分布和溫度場。然后,在電-熱分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了熱-機(jī)械分析,得到了不同工況下IGBT芯片的應(yīng)力分布和鍵合點(diǎn)應(yīng)力變化過程。結(jié)果表明,Al鍵合線的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鍵合點(diǎn)端部,芯片結(jié)溫的變化會導(dǎo)致應(yīng)力的波動,應(yīng)力值的變化與芯片結(jié)溫的變化是同步的。當(dāng)芯片結(jié)溫升高時(shí),鍵合點(diǎn)應(yīng)力會急劇增大。
【圖文】：

第 1 章 緒論1.1 課題研究背景及意義絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是 20 世紀(jì) 8年代中期發(fā)展起來的一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，它不但具有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect TransistoMOSFET）輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，還具有雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的最先進(jìn)的電力電子器件之一，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)變流裝置的“CPU”[1]。正是由于其優(yōu)越的特性，IGBT 成為各類大功率電力電子變流裝置中的主導(dǎo)功率元件，在軌道交通、高速列車、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2, 3]，如圖 1-1 所示。

北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文到絕緣襯底表面。絕緣襯底作為電路的支撐結(jié)構(gòu)，，其下表面為 Cu，上表面為形成的電路板結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)模式刻蝕而成。芯片固定后，進(jìn)行引線鍵合，片連接到襯底上。最后，將經(jīng)過芯片焊接和引線鍵合的絕緣襯底焊接到金屬（或散熱器）上。此外，功率模塊還包括模塊與外部連接的接線端子，以及硅環(huán)氧樹脂和外殼等保護(hù)結(jié)構(gòu)[4]。可以看出，IGBT 模塊包含多層材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。CTE (ppm/K)Al 鍵合線
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN322.8

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本文編號：2708328