一种具备长期失效短路能力的弹性压接型IGBT器件

压接型IGBT器件的失效短路模式(SCFM)可使其在失效之后仍能保持短路特性,在大规模器件串联应用中具有非常独特的优势,能够显著提高基于电压源换流器的高压直流(VSC-HVDC)(柔性直流)输电领域电力电子设备的可靠性。弹性压接器件由于封装结构限制,很难实现长期稳定运行。提出了一种新型弹性压接封装结构,采用失效短路电流再分配的方案,通过理论分析、仿真对比、试验测试等手段对该方案进行失效短路能力评估,相较传统结构导电片在1900 A、1 min熔断,优化后的导电片在2250 A、2 h下能够稳定保持最高温度≤200℃,为压接器件的开发提供了新的研究方向。

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。

基于有限元的弹性压接型IGBT器件功率循环寿命预测

现有的预测方法主要使用极端梯度提升树模型进行多层次预测训练,易受预测目标函数影响,导致预测性能不佳,因此,文章提出基于有限元的弹性压接型IGBT器件功率循环寿命预测方法。该方法构建了IGBT器件功率循环寿命预测有限元模型,计算了弹性压接型IGBT器件功率循环寿命预测参数,从而实现了功率循环寿命预测。实验结果表明,设计的弹性压接型IGBT器件功率循环寿命预测方法的预测均方根误差RMSE、平均绝对百分误差MAPE、平均绝对误差MAE均较低,预测训练时间较短,证明设计的IGBT器件功率循环寿命预测方法的预测效果较好,具有可靠性,有一定的应用价值。

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。

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。

基于Stacking多模型融合的IGBT器件寿命的机器学习预测算法研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件是一种被广泛应用于工业、通信、计算机、汽车电子等领域的核心技术部件,提高该器件的使用安全性至关重要。近年来,采用机器学习对IGBT器件的寿命进行预测已成为热点的研究问题。然而,普通的神经网络预测仍存在着训练时间长和准确率较低的问题。针对该问题,提出了一种基于Stacking多模型融合的机器学习模型来实现对IGBT的寿命预测,该模型有效地提高了预测的准确率和效率。该算法包含双层结构,融合了4种互补的机器学习算法模型。其中,第一层使用了轻度梯度提升树模型(LGBM)、极端梯度提升树模型(XGBoost)和岭回归模型(Ridge)进行预测,再将预测结果输入第二层进行训练;第二层使用了线性回归模型,经过双层模型训练预测出最终的IGBT寿命。通过实验数据的对比证实,相比常用的长短期记忆神经网络(LSTM)算法模型,基于Stacking多模型融合的机器学习模型对IGBT寿命预测的均方误差平均降低了93%,且模型训练的平均耗时仅为LSTM网络算法模型的13%。

柔直换流阀用压接式IGBT器件物理场建模及内部压强分析

压接式IGBT器件是柔性直流换流阀的核心,器件内部压强分布直接影响器件及系统可靠性,而内部压强又受各种材料及复合应力相互耦合作用,针对不同应力耦合效果及其对内部压强的影响,进行压接式IGBT器件物理场模型仿真以及器件内部最大压强分布趋势的研究。首先,基于3.3 kV/50 A压接式IGBT器件实际结构,建立了多物理场模型,分析了机械、机-热和机-热-电不同耦合模型下器件内部压强分布的差异,并获取了器件承受内部最大压强的薄弱环节及各种内部应力作用的耦合效果。然后,基于机-热-电耦合模型,分析了不同环境温度、外部压力、导通电流对压接式IGBT器件内部薄弱层最大压强及性能的影响。最后,建立了压接式IGBT器件功率循环平台,通过恒导通工况和功率循环实验验证了机-热-电耦合模型的有效性和薄弱层分析的合理性。研究结果表明,机-热-电耦合模型能更好地表征压接式IGBT器件多应力耦合作用效果,内部最大压强的薄弱环节为IGBT芯片与发射极钼层间,且内部最大压强随环境温度、外加压力和导通电流的增加而增加。

CRH5型动车组用IGBT器件寿命评估

半实物仿真计算结果表明,CRH5型动车组四象限整流侧IGBT器件寿命长于逆变侧,机车频繁进站会降低IGBT器件寿命。典型线路计算时,最小寿命约为780万km。与寿命相关的测试表明,与全新同型号IGBT器件相比,运行480万km的IGBT器件芯片及DBC焊层超声波扫描未出现分层现象。饱和压降及键合点推力测试表明,键合线根部已经出现裂纹,导致饱和压降平均值比全新增加0.196%,IGBT芯片键合线推力均值由全新的2800 g降低到2400 g,FRD芯片键合线推力均值由全新的2800 g降低到2600 g及2300 g,退化后的测试电学参数均在额定值以内,未达到寿命失效标准。这些研究结果对寿命预测结果进行了初步的验证。

高压大功率IGBT器件可靠性研究综述

随着高压直流输电和电力机车等领域的不断发展,高压大功率IGBT器件作为其中重要的电力电子器件,其可靠性问题得到了国内外研究机构的广泛关注。为给高压大功率领域可靠性设计者以及终端用户提供更多高压大功率IGBT器件的可靠性信息,文中阐述了高压大功率IGBT器件可靠性的发展与研究现状。根据高压大功率IGBT器件可靠性研究目的的不同,将可靠性研究分为故障诊断、寿命预测和状态监测三个方面。文中对故障诊断和状态监测的研究方法进行了分析,对于寿命预测模型进行了分类总结以及优缺点对比分析。最后,基于目前高压大功率IGBT器件可靠性的研究方法和内容,提出了可靠性研究未来的挑战和发展趋势。

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。

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。

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。

轨道交通用IGBT器件寿命预测技术综述

随着中国轨道交通车辆陆续进入高级修阶段,IGBT器件寿命预测技术成为行业关注的热点,科学的寿命评估方法是实现IGBT变流器全生命周期管理的基础。文章针对轨道交通的应用,介绍了IGBT器件失效机理、寿命预测模型及计算流程;通过概述国内外相关研究现状,归纳了目前IGBT器件寿命预测面临的难题,分析了通过采用智能化驱动、大数据分析及人工智能、状态检测等技术来提高IGBT器件寿命预测的准确性。

高压大功率IGBT器件温度系数校准方法研究

结温的准确测量对于功率IGBT器件状态监测和可靠性评估具有重要意义,小电流下饱和压降法作为使用最广泛的结温测量方法被各类测试标准推荐使用,温度系数校准是使用该方法的第一步,也是结温测量的基础。传统的温度系数校准方法对于高压大功率IGBT器件存在适用性和准确性的问题。首先,深入讨论和对比了目前常用的2种温度系数校准系统的精度,并提出了一种基于电磁加热方式的温度系数校准系统,并对其精度进行了验证;其次,对温度系数校准曲线的非线性进行了讨论和分析,指出了全温度范围校准和多项式拟合的必要性,进一步补充了温度系数校准方法,为高压大功率IGBT器件的温度系数校准提供方法指导。

弹性压接型IGBT器件封装结构对芯片内部电场的影响研究

高压大功率电力电子器件内部电场的准确计算,是保证器件绝缘设计满足要求的基本条件。首先,在静态场下建立考虑封装绝缘结构和芯片半导体载流子输运过程的耦合电场计算模型,并利用高压芯片反向特性测量平台,测量获得3300V高压芯片的耐受电压,与文中所建立模型的计算结果相对比,结果表明,计及芯片和封装耦合后,芯片耐受电压的计算结果与测量结果之间的误差由不考虑封装时的4.96%降低为0.8%。此外,以文中所使用的3300V高压芯片终端结构为例,应用耦合电场计算模型,计算在不同电压下的弹性压接封装结构下电场的分布分布特性,计算结果表明在2000V下,计及封装和芯片耦合后,芯片内部最大电场为不考虑封装结构时的1.24倍,且最大电场由终端区中部转移到末端。随着施加电压的增加,封装绝缘结构对于芯片电场的影响逐渐增大,芯片终端区表面电场显著增加甚至超过芯片内的最大电场。最后,利用部分电容模型,给出外部封装对于芯片电场影响的机理解释,并分析半导体–绝缘体界面电荷密度以及外部封装绝缘材料的介电常数对于芯片电场的影响规律,该文的结果可为高压大功率器件绝缘设计提供参考。

压接型IGBT器件内部杂散电感差异对瞬态电流分布影响规律研究

压接型IGBT器件内部多颗芯片的并联连接是提高其电流等级的重要手段。然而,IGBT芯片之间的瞬态电流不均衡是限制其电流提升的主要原因之一。研究压接型IGBT器件内部的瞬态电流分布规律对于规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。该文首先通过有限元软件提取了压接型IGBT器件内部的栅极、集电极和发射极的杂散电感,得到三个杂散电感随IGBT芯片不同位置的变化规律;其次对三个杂散电感差异下的电流分布进行了理论分析,发现电流分布主要受到功率回路和驱动回路的公共支路上杂散电感的影响;同时分别对开通和关断过程中IGBT芯片内部的载流子变化过程进行分析,发现发射极杂散电感差异主要影响开通过程的电流不均衡;然后针对三个杂散电感差异分别进行电路仿真,得到杂散电感差异对电流分布的影响规律,仿真结果验证了理论分析的有效性;最后建立了两芯片的并联均流双脉冲实验平台,平台能够调节两支路之间的杂散电感差异,实验结果进一步验证了该文理论分析的有效性。

地铁车辆运行条件下IGBT器件过热报警问题分析研究

针对宁波地铁2号线车辆压道运行工况下频繁出现IGBT器件过热报警问题,分别开展MP2车和M2车在压道运行工况和正线运行工况下的温升测试,并利用FLUENT软件对热管散热器和IGBT器件进行仿真分析。研究结果表明,受车体底部设备阻挡,地铁车辆牵引逆变器热管散热器进出风口的风速为车辆速度的15%~40%;压道运行工况下,MP2车热管散热器的进口平均风速低于M2车,是MP2车频繁报IGBT器件过热的根本原因;正线运行工况下,热管散热器的进口平均风速为6 m/s,可以保证IGBT器件的可靠应用。温升测试与仿真分析方法可为地铁车辆牵引逆变器的热设计工作提供理论指导。

基于LWT-WEST的IGBT器件中1/f噪声检测方法研究

1/f噪声的产生与IGBT器件质量缺陷紧密相关,在检测IGBT单管噪声过程中,热噪声、散粒噪声在低频段表现明显的白噪声特性,通过在强白噪声背景下检测出1/f噪声,即可表征IGBT器件的性能。因此提出了一种基于提升小波变换的小波熵软阈值(Lifting Wavelet Transform-Wavelet Entropy Soft Threshold,LWT-WEST)的1/f噪声检测方法,创新性的将提升小波变换(LWT)与小波熵软阈值(WEST)去噪进行结合,利用提升方案得到的二代小波变换可以更为灵活的构造小波基,达到算法优势互补,实现1/f信号与背景噪声的分离。通过在不同信噪比下的大量实验可知,相较于较优的小波熵软阈值去噪算法检测的信号,基于LWT-WEST去噪算法检测其信噪比可提高3%~4%,而均方误差相应的可下降1%左右,改善了信号检测效果。