IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）以其良好的綜合性能和強(qiáng)大的生命力,被廣泛應(yīng)用于可再生能源發(fā)電、汽車電子、機(jī)車牽引、航空航天等眾多領(lǐng)域。IGBT功率模塊作為電力電子系統(tǒng)中的核心器件,其長期安全可靠的運行對整個系統(tǒng)至關(guān)重要。因此,當(dāng)前急需尋求一種IGBT模塊的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與安全評估的有效方法,以此實現(xiàn)對模塊的可靠性評估和壽命預(yù)測,提高電力電子系統(tǒng)運行管理的自動化水平。本文基于IGBT模塊失效機(jī)理設(shè)計了IGBT模塊健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),主要對模塊參數(shù)采集、結(jié)溫預(yù)測和壽命預(yù)測等方面做了深入研究。首先,闡述和分析了IGBT模塊的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、失效機(jī)理及壽命預(yù)測模型,總結(jié)對比了各種失效模式下的監(jiān)測方式和方法。其次,由于IGBT模塊工作時的結(jié)溫難以直接精確測量,本文采用了dVCE（sat）/dICE的在線結(jié)溫預(yù)測方法,并通過仿真和實驗驗證了該方法的可行性,同時詳細(xì)分析了基于結(jié)溫的IGBT模塊壽命預(yù)測模型;接著,針對IGBT模塊端部參數(shù)監(jiān)測方法設(shè)計了模塊健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),詳述了采集模塊和存儲模塊的硬件電路設(shè)計及其應(yīng)用程序設(shè)計;最后,在整體健康狀態(tài)監(jiān)... 

【文章來源】：西安理工大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

功率變流器相關(guān)元件故障失效概率統(tǒng)計

圖 1-2 失效原因概率統(tǒng)計Fig.1-2 Probability statistics of failure causes鍵組件可靠性調(diào)查結(jié)果表明：功率器件是變流器系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)雜多變，健康狀況受多種因素影響。當(dāng)前，國內(nèi)外許多專家學(xué)者在功率研究，以提高電子與電力電子系統(tǒng)的可靠性，使其更符合對功率器件安的嚴(yán)格要求。GBT正常運行過程中，模塊長期受到電、熱應(yīng)力的作用，隨著作用效果的性能指標(biāo)逐漸下降，最終可能導(dǎo)致模塊失效，其性能的下降和失效的可阻擋和不可避免的。IGBT 功率模塊如果出現(xiàn)故障，必然會使電力電到嚴(yán)重影響甚至損毀，其后果不堪設(shè)想。國內(nèi)外研究學(xué)者在提高IGBT面已經(jīng)做了大量工作，例如優(yōu)化IGBT結(jié)構(gòu)、降級使用、提升模塊散熱此故障依然時常出現(xiàn)，特別是在惡劣以及不穩(wěn)定的運行環(huán)境中，因此需IGBT 模塊的運行狀態(tài)和性能指標(biāo)[3]。而對于用戶來說，IGBT 健康狀種提高IGBT 模塊可靠性的方式和方法。健康狀態(tài)評估是基于健康狀對測量的IGBT 特征參數(shù)進(jìn)行評估，評估結(jié)果是人為設(shè)置的狀態(tài)區(qū)間[4

IGBT是一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)器件，它是由MOSFET 結(jié)構(gòu)和GTR 結(jié)構(gòu)共同組成的器件如圖 2-1 所示。功率MOSFET 具有熱穩(wěn)定性強(qiáng)、輸入阻抗高、工作速度快、驅(qū)動功率小等優(yōu)點，但同時其是單極性器件，電流容量小、耐壓低、導(dǎo)通電阻大。GTR 是一種電流驅(qū)動型雙極性器件，具有載流能力強(qiáng)、阻斷電壓高等優(yōu)點，但其驅(qū)動功率大、工作速度慢驅(qū)動電路復(fù)雜[24]。而IGBT兼具兩者優(yōu)點，具有GTR 的載流能力和MOSFET 的速度優(yōu)勢性能更加優(yōu)良。IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 2-2 所示，其與MOSFET 結(jié)構(gòu)相似，兩者的不同之處在于IGB的集電極是由功率MOSFET的 N+區(qū)（漏極側(cè)）注入 P+高摻雜區(qū)形成了新的 PN 結(jié)而形成的。由于IGBT中 P+注入?yún)^(qū)與 N+緩沖區(qū)構(gòu)成了一個新的 PN 結(jié)，使得IGBT的工作原理發(fā)生了變化。當(dāng)IGBT 導(dǎo)通時，空穴由 P+注入?yún)^(qū)注入 N-漂移區(qū)，引入了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因此導(dǎo)通電阻減小。同時，由于有少子注入，使得其開關(guān)速度降低。為了保險起見，IGB通常以負(fù)電壓關(guān)斷（一般為-15V），使集電極電壓遠(yuǎn)高于發(fā)射極電壓，J2結(jié)發(fā)生阻斷，IGB處于正向阻斷狀態(tài)[25-26]。同時 J1結(jié)和 J3結(jié)還處于正偏導(dǎo)通，為了使其阻斷能力增強(qiáng)，必須將 N-漂移區(qū)做的足夠?qū)�，同時摻雜濃度要足夠低。如今，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟和電力電子系統(tǒng)廣闊的市場需求，使得IGBT在制造工藝和性能優(yōu)化方面不斷完善。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]感性負(fù)載條件下IGBT開通過程分析[J]. 唐新靈,崔翔,張朋,李金元,趙哿.  華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2017(02)
[2]IGBT開關(guān)瞬態(tài)實時仿真模型[J]. 林城美,王公寶,汪光森,李衛(wèi)超,熊又星.  海軍工程大學(xué)學(xué)報. 2017(01)
[3]IGBT功率模塊狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 孔梅娟,李志剛,李雄,王存樂.  半導(dǎo)體技術(shù). 2017(02)
[4]基于IGBT離線測試平臺的功率逆變器損耗準(zhǔn)在線建模方法[J]. 何湘寧,吳巖松,羅皓澤,李鵬,李武華,鄧焰.  電工技術(shù)學(xué)報. 2014(06)
[5]高溫下的IGBT可靠性與在線評估[J]. 唐勇,汪波,陳明,劉賓禮.  電工技術(shù)學(xué)報. 2014(06)
[6]IGBT失效機(jī)理與特征分析[J]. 馬晉,王富珍,王彩琳.  電力電子技術(shù). 2014(03)
[7]基于加速壽命試驗的IGBT模塊壽命預(yù)測和失效分析[J]. 劉賓禮,劉德志,唐勇,陳明.  江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2013(05)
[8]IGBT 模塊故障機(jī)理及其預(yù)報方法綜述[J]. 杜明星,魏克新.  世界科技研究與發(fā)展. 2010 (06)
[9]IGBT功率模塊狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)綜述[J]. 魯光祝,向大為.  電力電子. 2011 (02)
[10]采用新型粒子群算法的電力電子裝置在線故障診斷方法[J]. 陳如清.  中國電機(jī)工程學(xué)報. 2008(24)

博士論文
[1]功率模塊IGBT狀態(tài)監(jiān)測及可靠性評估方法研究[D]. 徐盛友.重慶大學(xué) 2013
[2]功率器件狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵問題研究[D]. 杜明星.天津大學(xué) 2012

碩士論文
[1]計及疲勞累積效應(yīng)的IGBT模塊焊料層失效機(jī)理及疲勞損傷研究[D]. 江南.重慶大學(xué) 2016
[2]高壓IGBT的失效機(jī)理分析[D]. 薛鵬.電子科技大學(xué) 2016
[3]基于有限元法的IGBT模塊封裝散熱性能及熱應(yīng)力的仿真研究[D]. 張薷方.重慶大學(xué) 2015
[4]IGBT功率模塊的失效研究與鍵合線狀態(tài)監(jiān)測[D]. 禹鑫.天津理工大學(xué) 2015
[5]IGBT失效分析技術(shù)[D]. 李琦.浙江大學(xué) 2015
[6]三相逆變系統(tǒng)中IGBT功率模塊溫度影響研究[D]. 石大鵬.河北工業(yè)大學(xué) 2014
[7]絕緣柵雙極型晶體管結(jié)溫測量方法的研究[D]. 毛婭婕.重慶大學(xué) 2013
[8]基于飽和壓降測量的IGBT功率模塊狀態(tài)評估方法研究[D]. 楊旭.重慶大學(xué) 2012
[9]IGBT的分析與設(shè)計[D]. 付耀龍.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010
[10]基于FPGA的超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)[D]. 王振華.清華大學(xué) 2006



本文編號：3586110