基于瞬态热阻的IGBT焊料层失效分析

焊料层失效是绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolartr ansistor，IGBT）器件最主要的失效方式之一，有效的焊料层失效评估方法对提高系统可靠性尤其重要。该文提出了基于瞬态热阻的IGBT焊料层健康状态评估及失效部位判定方法，量化分析芯片焊料层失效、DBC焊料层失效对器件整体失效的贡献。首先，利用三维有限元仿真证明该方法评估功率器件焊料层疲劳老化的可行性；然后，提取IGBT模块的结构函数曲线建立三阶Cauer模型，实现对不同焊料层失效程度的量化评估以及失效点判定；最后，搭建试验平台，分析不同工况和失效状态下瞬态热阻曲线的变化规律，验证所提出的瞬态热阻法评估IGBT焊料层失效的有效性。

NPC三电平中IGBT焊料层多物理场耦合失效分析

针对传统的多物理耦合分析建模方式需要试验来提取参数,同时电物理参数的提取难度大,静态功耗的计算正确性难以保证、耗费了人力物力等问题,提出一种利用IGBT动态模型来分析焊料层多物理场耦合失效的方法。首先对IGBT模块进行动态仿真,使用Simplorer软件计算NPC三电平逆变器的动态功耗;然后使用动态功耗在ANSYS软件中进行三维有限元建模;最后利用三维有限元模型求解出电-热-力多物理耦合失效分析的解。分析功耗仿真结果可知,逆变器内侧IGBT的功耗要比外侧IGBT高,有限元分析结果验证了动态模型可以准确仿真三电平逆变器功耗不均衡问题。分析三维有限元耦合仿真结果可知,与传统IGBT电-热耦合仿真相比,结温仿真模型误差减小了10%。电-热-力多物理场耦合模型可以更好的显示IGBT焊料层存在缺陷时的多场应力状态。研究结果表明,该方法操作简单,动态功耗求解结果和多物理耦合应力分析结果准确度较高。

计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估

作为大功率变流器的关键单元,绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）的高可靠性是系统稳定运行的重要保证,准确的寿命评估是提高系统可靠性的有效手段之一。然而,目前器件寿命评估多忽略焊料层疲劳造成的热阻、热载荷增大效应,易高估器件寿命。针对该问题,该文提出计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估模型,该模型考虑焊料层失效位置信息以及疲劳造成的热特性反馈效应。首先,基于IGBT模块三维电–热–力多物理场耦合模型分析不同焊料层疲劳对模块热响应影响的差异;其次,提出基于Cauer模型的考虑焊料层疲劳位置信息的热网络更新策略;然后,基于该策略建立适时更新热网络的计及焊料层疲劳对模块老化加速作用的寿命预测模型;最后,与现有寿命预测模型对比分析实际风速下风机变流器中IGBT模块的寿命评估。

基于MOSFET外特性参量的自适应模糊神经网络状态评估模型

焊料层疲劳脱落是功率器件主要的失效形式之一,准确的焊料层失效评估方法对提高系统可靠性尤其重要。本文以广泛应用于电力电子系统的MOSFET为研究对象,在驱动电压一定的条件下建立以导通电阻、壳温及电流为主特征参量的功率器件健康状态评估模型。首先,以器件的电-热多场耦合模型为基础研究不同健康状态时功率器件的电、热特性;然后,对比分析不同特征参量对焊料层疲劳响应的灵敏性,结果表明在相同工况下导通电阻增量的灵敏性更优;最后,以特征参量间的泛在关系为基础开展状态评估研究,同时引入导通电流、壳温来表征工况,建立基于自适应神经模糊推理系统(ANFIS)的考虑器件运行状态的健康状态评估模型,预测器件老化率,划分健康状态等级区间,实现对器件运行状态的有效预测、评估。该评估方法监测数据提取较为容易,准确度高,并易于工程实现,能对器件正确合理使用、状态检修等工程实际应用提供指导。