基于多物理场耦合的压接型IGBT功率循环应力特性仿真分析

压接型IGBT器件广泛应用于高压柔性直流系统中。由于在功率循环实验以及实际运行中,器件不同材料之间存在的热膨胀效应会显著影响机械应力,其难以通过实验仪器获取,进而造成疲劳寿命预测困难以及不准确,因此需要研究与实际相符的高精度仿真模型计算器件内部的应力参数。首先,分析了影响IGBT器件有限元模型准确性的物理特性,并提出考虑IGBT芯片动态电导率的高精度IGBT电-热-力多物理场耦合模型。其次,通过器件饱和压降、结温以及Von Mises应力对所搭建模型进行实验对比分析,验证了模型的准确性。最后,利用所提出的多物理场耦合模型仿真分析了压接型IGBT器件在工况以及功率循环过程中的应力变化特性,提出“额外应力差”这一概念以表征IGBT在功率循环中应力存在的特殊变化规律并分析了额外应力差的产生机理,明确应力特性对在研究寿命预测等问题时具有的意义。

不同结构压接型IGBT器件压力分布对比

柔性直流输电技术的不断发展对应用在柔性直流输电系统中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件提出了更多的要求。压接型IGBT器件因符合柔性直流输电系统等领域高电压、大电流以及高功率密度的发展需求而得到重视,易于串联的特性使其非常适用于高压应用领域。目前以WESTCODE、TOSHIBA公司为代表的凸台式封装结构和以ABB公司为代表的弹簧式封装结构的2种压接型IGBT器件已成功应用到柔性直流输电工程中。基于有限元法建立了2种压接型IGBT器件的仿真模型,分别针对器件2种不同工况(正常加压未工作和正常工作状态)对比分析了其内部的压力分布。仿真结果表明,2种结构的压接型IGBT器件在正常加压状态下压力分布均比较均匀,由于弹簧结构的存在使得弹簧式压接型IGBT器件在正常工作状态下压力分布更为均匀。最后基于仿真分析,对压接型IGBT器件的结构优化提出了可能的解决方案。

换流阀用与直流断路器用压接型IGBT器件差异分析

压接型IGBT器件以其耐受电压高、电流密度大、控制功率低、开关速度快以及双面散热等优势成为柔性直流输电系统中换流阀和直流断路器选用的理想器件。由于应用装备的差异,换流阀和直流断路器对于压接型IGBT器件分别提出了低通态压降和高短路关断能力的要求。分析了换流阀用压接型IGBT器件和直流断路器用压接型IGBT器件外部和内部电流、电压、温度和压力的差异,总结了两种器件应用过程中可能存在的主要失效原因,提出了封装设计中需要重点考虑的技术问题。

压接型IGBT器件封装退化监测方法综述

压接型IGBT器件是智能电网中大容量电力电子装备的基础核心器件,其可靠性直接关系到装备及电网的运行安全,而封装失效是其主要失效模式,封装退化监测是实现其故障诊断、状态预测及智能运维的关键。针对现有研究大多侧重于传统焊接型IGBT器件封装退化监测的问题,该文以压接型IGBT器件为研究对象,首先,介绍压接型IGBT器件封装结构;然后,系统分析微动磨损失效、栅氧化层失效、接触面微烧蚀失效、边界翘曲失效、弹簧失效、短路失效、开路失效共七种封装失效模式及对应的封装退化监测方法,并提出现有监测方法存在的问题;最后,从封装退化表征及评估、非接触式监测、高灵敏度监测三个方面,展望压接型IGBT器件封装退化监测新思路。

压接型IGBT器件接触电阻计算及影响因素分析

压接型IGBT器件封装材料间的接触电阻大小及分布规律直接影响其电热分布特性与运行可靠性,然而现有接触电阻计算的方法大都依赖于半经验模型,未能考虑表面形貌参数影响,难以准确表征,该文提出考虑材料表面形貌参数及接触压力影响的压接型IGBT器件接触电阻模型及影响规律研究。首先,基于电接触理论,建立考虑材料电阻率、接触面接触压力、粗糙度及微硬度参数的接触电阻数学模型。其次,通过分析材料表面特性选定接触电阻模型参数,建立单芯片压接型IGBT器件有限元仿真模型计算接触压力,获取器件内部接触电阻分布规律,并通过器件导通电阻测量,间接验证所建接触电阻模型的有效性。最后,分析接触压力、芯片电阻率及表面粗糙度对压接型IGBT器件接触电阻的影响规律。结果表明,相对COMSOL软件内置模型,所建接触电阻模型可更加准确地表征器件内部接触电阻变化规律。相比其他接触面,芯片与钼片间的接触电阻最大,且当接触压力较小时,接触电阻受电阻率、粗糙度及压力的影响更明显。

不同封装形式压接型IGBT器件的电-热应力研究

基于多物理场建模对比分析全压接和银烧结封装压接型IGBT器件的电-热应力。首先根据全压接和银烧结封装压接型IGBT的实际结构和材料属性,建立3.3 kV/50 A压接型IGBT器件的电-热-力多耦合场有限元模型;其次仿真分析额定工况下2种封装IGBT器件的电-热性能,并通过实验平台验证所建模型的合理性;然后研究了3.3 kV/1500 A多芯片压接型IGBT模块的电-热应力,并探究了不同封装压接型IGBT器件电-热应力存在差异的原因;最后比较了2种封装压接型IGBT器件内部的电-热应力随夹具压力和导通电流变化的规律。结果表明银烧结封装降低了压接型IGBT器件的导通压降和结温,提升了器件散热能力;但银烧结封装也增大了IGBT芯片表面的机械应力,应力增大对IGBT器件疲劳失效的影响亟需实验验证。

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模与分析

大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况,必然对压接型绝缘栅极晶体管(IGBT)器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法,首先,建立单芯片压接型IGBT器件电–热–机械多物理场仿真模型,通过实验验证IGBT仿真模型的有效性;其次,考虑器件内部各层材料的疲劳寿命,建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型,分析了单芯片器件各层材料薄弱点;最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构,建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型,分析器件应力分布,并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明,压接型IGBT器件内部的温度、von Mises应力分布不均,最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘;多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异,边角位置处芯片表面应力最大,可靠性最低。

压接型IGBT功率模块加速老化试验方法

针对目前对压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)可靠性评估测试工作的不足,从器件应用角度提出了可用于柔直功率模块的老化循环试验方法。结合不同试验工况下的理想试验波形及热阻模型得到了适用于不同试验的结温波动公式。通过实验验测得到了压接型IGBT在老化试验下的结温波动波形,对所提方法进行了验证。

功率模块压接型IGBT温度循环试验热负载施加方法

温度循环试验是研究功率模块压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)特性的重要试验手段。为此,以柔直换流阀功率模块压接型IGBT为研究对象,结合理论计算与有限元仿真分析,提出了温度循环试验热负载施加方法,并获得相应的电输入目标参数。搭建了温度循环试验平台,对器件温度进行实时监测,综合对比分析功率模块受试IGBT器件的结温、壳温、散热器测温点温度数据。通过仿真结果验证了所提方法的有效性,可为同类型压接IGBT试验提供研究思路。

用于压接型IGBT器件芯片电流测量的带金属屏蔽层集成PCB Rogowski线圈的研究

柔性直流输电是构建能源互联网的重要途径,其中压接型IGBT器件是柔性直流输电换流阀的核心器件。由于单颗压接式IGBT芯片面积小,通流能力低,为了提高柔性直流输电的输电容量,需要将多颗压接式IGBT芯片并联。但是由于并联芯片电气参数差异,导致IGBT芯片在开关过程中出现不均流以及电流过冲现象。该文在PCB Rogowski线圈集总参数模型的基础上,分析IGBT测试过程中发射极与集电极电压的快速变化形成的电场对PCB Rogowski线圈测量误差的影响,提出用金属屏蔽层来消除电场干扰的方法,并实验验证该方法的有效性。接着仿真和实验分析PCB Rogowski线圈的自感和和分布电容(计及引入屏蔽层后屏蔽层与Rogowski线圈间的电容),首次从等效电路理论模型和实验分析由于屏蔽层引入造成对测量频带范围的不利影响。最后平衡屏蔽层引入的优缺点,设计一款集成的带金属屏蔽层的PCB Rogowski线圈来实时检测特定压接式IGBT器件内部并联芯片的电流。

压接型IGBT在MMC系统中的电热耦合仿真

目前已知的高压柔性直流输电工程中的电压源换流器(voltage source converter,VSC)大多采用模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC),MMC子模块中半桥子模块的应用最为广泛。高压直流输电系统的高可靠性要求半桥子模块的搭建必须采用压接型的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)。本文主要针对压接型IGBT半桥模块的MMC展开电热耦合的仿真,探索出一种基于Foster热网络的电热耦合仿真方法,从热稳定性的角度对MMC系统的安全运行域进行了刻画。

压接型IGBT器件内部压力分布

压接型IGBT器件内部各组件直接堆叠在一起,通过外部压力使得各组件间保持良好的机械与电气接触,进而引入一定比例的接触电阻和接触热阻,所以器件内部的压力分布不仅影响器件内部的电流分布和温度分布,还将严重影响器件的可靠性。基于压接型IGBT器件的有限元计算模型和特殊的应用工况,研究压接型IGBT器件内部的压力分布情况,重点探讨器件内部各组件加工误差与内部的布局方式对器件内部压力分布的影响。通过压力夹具和压力纸等进行压接型IGBT器件内部压力分布的实验,实验结果不仅验证了有限元模型和边界条件的正确性,还表明外部压力加载对器件内部压力分布的影响。

高压大功率压接型IGBT器件封装技术研究综述

高压大功率压接型IGBT器件具有功率密度大、寄生电感低、双面散热、失效短路等优点,是用于智能电网、轨道交通等高压大功率电压源换流装备的理想器件。该文对ABB、Fuji、Toshiba、Westcode等公司的压接型IGBT器件封装技术路线进行介绍和分析,并对现有商业化大功率压接型IGBT器件的特性进行对比。综合已有压接型IGBT器件封装技术的特点与试验测量结果,提出将封装关键技术分为3个部分,并简要介绍各个部分的具体关键技术及研究现状。最后,基于压接型IGBT封装技术特点,结合实际工艺要求,提出一种评估压接型IGBT器件性能的判据,为后续压接型IGBT器件的开发与设计提供参考。

压接型IGBT器件单芯片子模组疲劳失效的仿真

压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件因其具有双面散热、失效短路和易于串联等优点特别适合应用于柔性直流输电等大功率领域。但这种压接封装结构的器件在经历长时间的循环热应力后,各组件中的金属材料会逐渐出现疲劳失效,对器件可靠性产生不利影响。建立压接型IGBT器件的单芯片子模组有限元仿真模型,利用功率循环仿真来模拟器件所经历的循环热应力工况,并对功率循环仿真结果进行热和力的分析。同时应用组合Coffin-Mason和Basquin模型对IGBT芯片进行疲劳寿命预测。结果表明芯片与发射极钼片相接触的边缘区域承受的压力最大也最易变形,且在高应力条件下芯片的疲劳寿命只有10 000多次循环。最后结合实际失效的芯片和仿真结果提出压接型IGBT器件一种"压力失效"模式,并对其相应的失效机理进行了一些初步解释。

压接型IGBT器件多物理量测试方法综述

压接型IGBT器件目前已广泛应用于智能电网的各类高压大容量电力换流和控制装备中,与焊接式IGBT模块相比,具有功率密度大、双面散热、失效短路、易于串联等优点。器件中芯片压力、结温、电流3个关键物理量相互耦合并直接表征器件的运行工况,因此对压接型IGBT器件多物理量测试方法的研究有利于解决器件内部多物理场耦合问题,指导设计更有效的器件封装结构,保障器件的可靠运行。压接型IGBT器件内部芯片排列紧密,且密闭在由集电极和发射极极板压接形成的内部空间中,这给器件内部多物理量测试带来了挑战。该文紧密围绕压接型IGBT器件中上述3个关键物理量及其分布性的测试,系统综述小尺度下压力量、温度量、电流量各种测试方法的最新进展,梳理其主要特点,对比其优缺点并探讨其在压接型IGBT器件中的局限性与适用性,在此基础上展望压接型IGBT器件多物理量测试的研究方向。

外部汇流母排对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流特性的影响

压接型IGBT器件内部芯片之间的动态均流特性直接影响着IGBT器件的坚固性与可靠性。考虑到并联均流实验的困难,现有的压接型IGBT芯片级并联均流研究通常都是通过提取器件内部封装结构的寄生参数,并结合IGBT芯片的等效电路模型,在电路仿真环境中开展的,不考虑器件外部电磁条件对器件内部电流分布的影响。然而,该文通过9枚压接型IGBT芯片的并联均流实验发现,各个通流支路之间存在显著的动态电流不均衡,而且电流的分布特性不仅与内部并联芯片的相对位置有关,还与连接器件的外部汇流母排存在明显的关联。为了揭示器件内部电流分布特性与外部汇流母排之间的耦合关系,该文对被测器件与外部汇流母排进行三维有限元建模,从频域和时域2个方面,计算IGBT器件内部的电磁场分布特性。频域计算表明,由于外部汇流母排与内部并联芯片存在磁场耦合(即电感耦合),当频率超过一定数值后,外部汇流母排会对各个通流支路的电流产生显著影响。时域计算进一步再现了并联均流实验中外部汇流母排对各个通流支路上动态电流分布的影响规律。结果表明,在压接型IGBT器件的设计和应用中,不仅需要关注器件内部芯片间的相对位置对动态均流特性的影响,同时也要关注外部汇流母排引入的电磁不对称性。最后提出一种对称化的母排设计方案,并通过三维有限元计算,证实对称化母排设计可明显改善器件内部的动态均流特性。

压接型IGBT芯片动态特性实验平台设计与实现

压接型IGBT芯片在正常的运行工况下承受着电-热-力多物理量的综合作用,研究电-热-力影响下的IGBT芯片动态特性对于指导IGBT芯片建模以及规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。为了全面获得电-热-力综合影响下压接型IGBT芯片的动态特性,该文结合双脉冲测试电路原理,研制出具备电-热-力灵活调节的压接型IGBT芯片动态特性实验平台。通过对动态特性实验平台关键问题进行有限元仿真计算,实现平台回路寄生电感、IGBT芯片表面压力分布及机械夹具温度分布的优化设计。在此基础上建立压接型IGBT芯片动态特性实验平台,对实验平台进行综合调试,结果表明,该文所设计的实验平台具有寄生电感小、IGBT芯片表面压力分布均衡及机械夹具各组件温度分布合理的特点,可以满足电-热-力综合影响因素下压接型IGBT芯片动态特性实验的需求。

压接型IGBT器件内部芯片电流测量时罗氏线圈的误差分析及改进方法

压接型IGBT芯片的并联使用是提高IGBT器件电流等级的重要手段。然而芯片之间的电流不平衡限制了器件的最大额定电流。通常需要通过实验测试的方法评估这种不均流度,然而难点之一是如何准确测量压接型IGBT器件内部芯片的电流。罗氏线圈因其具有灵活、无饱和、非嵌入式等优点,是目前用于压接型IGBT器件内部电流测量的主要手段。已有的研究表明,罗氏线圈在测量压接型IGBT器件内部芯片电流时出现了较大的误差。文中针对罗氏线圈在压接型IGBT器件内部芯片电流测量的特殊应用工况,分析电流测量误差产生的原因;建立罗氏线圈误差模型,并推导误差解析公式;采用误差解析公式提出2种减小测量误差的方法;最后,通过实验验证所提误差解析公式及减小测量误差方法的有效性。

电极结构与空间布置对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流的影响(一):计算研究

该文从理论分析与建模计算2个方面研究电极结构与空间布置对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流的影响。首先,从理论上分析电极结构对IGBT芯片和FRD芯片的并联均流特性的影响机理,并比较主动和被动均流模式下影响机理的差异。进而详细对比分析了时域等效电路方法与频域有限元方法的特点与优势。最后,在被动注入模式下计算4种典型结构下器件内部的动态均流特性。计算结果表明:发射极电极圆周化布置,在对称的外部电磁条件下可以明显优化器件内部的并联均流特性。但是当器件连接外部不对称汇流母排后,该布置方案收效甚微,甚至有加剧不均流的风险;发射极电极刻槽,在对称或者不对称的外部电磁条件下,都能对器件内部的动态均流特性加以改善。

基于压接型IGBT器件的柔直换流阀功率模块多物理场耦合仿真分析

随着柔性直流输电技术的快速发展,压接型IGBT器件由于具有双面散热、功率循环能力强等优点,被越来越多的应用在高压大容量柔直换流阀领域。作为柔性直流输电换流阀的核心设备,基于压接型IGBT器件的功率模块是一个集电磁场、温度场和结构场相互耦合的复杂多物理场环境,在运行时会受到电、磁、热、力等多个物理场的相互作用,其内部强大的交变电磁场使机箱、铜排、硅堆等结构件产生涡流和电磁力,涡流发热和器件损耗发热使得功率模块在运行中温度上升,影响其工作可靠性。且压接型IGBT器件内部均为多芯片并联结构,必须保证各芯片结构均匀受力、均匀通流、均匀散热,对压装结构要求比较高。因此,须综合考虑涡流、器件损耗、水冷却以及电磁力、热应力、机械应力等因素对压接型IGBT器件功率模块的影响。文中结合Ansys有限元分析软件,提出了一种基于压接型IGBT器件的柔直换流阀功率模块的多物理场耦合仿真分析方法。首先通过构建多物理场耦合关系数学模型,分析电磁、热、力等多物理场的耦合关系。其次针对换流阀功率模块,分别开展了电磁一热一流体和电磁一热一力多物理场耦合分析,得到功率模块运行时的损耗、温度、电磁力、热应力、总体应力和形变量等。最后,将电磁一流体一温度耦合结果与功率模块试验结果进行了对比验证,证明文中换流阀功率模块的多物理场耦合分析方法可以指导换流阀功率模块的设计。