短路电流作为绝缘栅双极型晶体管模块键合线老化特征量的机理研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是功率变流器中故障率最高的元器件,键合线老化脱落是其中最常见的一种失效形式。文中研究短路电流作为IGBT模块键合线老化特征量的机理。首先简述IGBT模块键合线老化对应的内部寄生参数与短路电流的定性关系,建立包含键合线和铝金属基板的发射极等效电阻网络模型。依据键合线分布情况,分析键合线老化对电阻网络的影响,进而分析对短路电流的影响关系,最后对不同键合线老化状态下的IGBT模块的短路电流进行实验测量和分析。分析结果表明,等效电阻网络模型能很好地反映键合线分布情况与老化特征量之间的对应关系,实验结果与理论分析基本一致,验证了短路电流作为IGBT模块键合线老化特征量机理研究的正确性。

基于度电成本的绝缘栅双极型晶体管模块的冗余设计

在海上风电变流器中,IGBT模块等功率器件是容易失效的部件之一。海上风电场的恶劣环境对风电变流器的可靠性提出了更高的要求。为了提高风电变流器整体的可靠性,提出了风电变流器IGBT模块的3种冗余设计方案和相应的控制策略;并对3种冗余设计方案的可靠性进行比较,得出了3种冗余设计方案均可提高风电变流器的运行可靠性的结论;最后使用度电成本的概念,分别计算了应用3种冗余设计方案的海上风电场20 a全寿命周期内的度电成本,得出了第一种冗余设计方案;即冗余一支桥臂,可以使整个海上风电场的度电成本最低的结论。这为以后风电变流器IGBT模块的冗余设计提供了参考。

多芯片绝缘栅双极性晶体管模块的老化键合线定位方法

对实际工况中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的可靠性监测是对电力系统安全运行的重要保证。然而,采用多芯片封装方式的IGBT模块因芯片位置分布导致模块整体热量分布不均问题。针对该问题,使用多芯片封装IGBT模块,建立其包含7层结构的有限元模型,通过有限元仿真结果分析得出,模块整体温度分布不均是由于各芯片传热路径交叉所导致的热阻耦合现象。在掌握热量分布规律的基础上,研究了IGBT模块内部芯片串、并联使用时某一芯片发生键合线老化后各芯片功率损耗的变化规律,并据此提出考虑热量分布不均的键合线老化故障芯片定位方法。仿真及试验结果表明:文中提出的多芯片封装IGBT模块热分布规律具有正确性,老化键合线定位方法具有可行性。

轨道交通绝缘栅双极型晶体管模块封装材料的制备技术及其显微组织研究

作为电气系统组件,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块在轨道交通领域有着广泛应用。封装材料的性能直接影响IGBT模块的使用寿命和稳定性。Al-50%Si合金是IGBT模块较为理想的封装材料。采用粉末冶金结合双向分级热压致密化成型工艺,制备了Al-50%Si合金材料。使用OM、SEM方法(扫描电子显微镜)分析热压态及热处理态合金的显微组织。结果表明,在烧结温度为720℃且保温50 min后,能够获得Si相尺寸与分布控制较好的合金;在热扩散温度为540℃,扩散处理3.5 h后,能够有效熔断纤维状与细针状共晶硅。

基于失效演化模拟的电力机车用IGBT模块解析剩余寿命建模研究

牵引变流器作为电力机车系统中最关键且故障率最高的设备,影响系统的安全运行,其中绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块是导致牵引变流器失效的主要部件。开展IGBT模块剩余寿命准确评估,对降低运维成本和系统故障率具有重要的战略价值和经济意义。目前采用“里程修”的运维方式,未考虑机车运行线路、工况、负载差异等因素对寿命的影响,导致一些线路过早更换的高昂运维成本和一些线路过晚替换的系统停运风险。因此,在牵引系统IGBT模块故障率高、运行线路间可靠性差异大且采用不合理的“里程修”方式背景下,目前业界普遍关心的问题是各线路基于固定里程修更换的IGBT模块剩余寿命是多少。该文针对电力机车用IGBT模块剩余寿命准确评估的问题,以IGBT模块焊料层不同服役里程空洞尺寸分布规律为基础,建立考虑焊料层空洞空间分布规律的精细化多物理场模型,开展多芯片并联IGBT模块失效演化物理过程模拟,提出以焊料层空洞分布统计规律为老化状态的电力机车用IGBT模块解析剩余寿命预测模拟,并通过功率循环试验验证改进模型准确性。研究成果丰富功率器件的寿命预测和可靠性评估理论,为系统从“里程修”向“状态修”转变提供科学依据。

一种基于开通栅极电压的新型IGBT键合线老化监测方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)的可靠运行是牵引变流器安全和性能的重要保障。键合线老化作为IGBT的一种常见失效模式,对其进行监测具有重要意义。文中提出一种基于开通栅极电压ugem的键合线老化监测方法,该方法可有效避免温度和负载电流带来的影响。首先,基于IGBT等效电路模型,系统分析ugem受键合线断裂影响的原因;其次,利用双脉冲测试进行验证,同时对温度和负载电流带来的影响进行分析;在此基础上,考虑到使用ugem局部特征将受到温度和电流的干扰,提出将开通栅极电压整体波形用于键合线老化的监测,并进一步利用有监督的线性判别分析进行数据降维以及采用支持向量机实现键合线断裂根数的检测。最后,通过实验对所提监测方法的有效性进行验证。

车用双面散热IGBT模块随机振动性能分析与应力预测

针对双面散热绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块在车载状态下由不同频率的振动载荷导致的焊料层失效问题,分别从材料和结构两个角度,以直接覆铜(DBC)板陶瓷层材料、陶瓷层厚度以及焊料层厚度为变量,以芯片底面焊料层应力为指标进行随机振动分析优化与应力预测,得到模块结构的最佳参数值组合。3个变量对芯片底面焊料层应力的影响由大到小为:陶瓷层厚度、焊料层厚度、陶瓷层材料。最后提出一种对芯片下焊料层应力的预测模型,相较仿真的准确率为95.61%。该研究结果对车载双面散热IGBT模块的振动性能分析提供参考,同时为模块结构的设计提供理论依据。

基于概率稀疏自注意力的IGBT模块剩余寿命跨工况预测

为提高绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块跨工况剩余寿命的预测精度以提升其可靠性,针对不同工况下IGBT模块的瞬态热阻特征提出一种基于概率稀疏自注意力机制和迁移学习的剩余使用寿命预测方法.搭建了IGBT模块加速老化试验台,在不同温度区间进行IGBT模块功率循环实验,采集不同工况下该模块全生命周期状态数据,计算获得IGBT模块衰退过程中的瞬态热阻变化数据,提取并筛选能准确反映IGBT模块老化状态的瞬态热阻特征,并使用所提方法开展跨工况剩余使用寿命预测.实验结果表明,提出的IGBT模块剩余寿命的跨工况预测方法精度明显优于其他对比方法,特别是IGBT模块早期衰退过程中的剩余寿命预测精度得到了显著提升.

混合IGBT模块开通振荡影响因素分析及抑制

首先就门极驱动对开通振荡的影响因素进行分析和研究,使用了不同的门极驱动电压和门极充电电流进行混合绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的开关测试,发现仅改变门极驱动参数不能明显减小开通振荡的持续时间。在此基础上进一步提出了一种用阻尼电路抑制开通振荡的方法。通过理论分析和实验验证了阻尼电路可以有效地加快开通振荡的衰减,同时不会使开通电流过冲和损耗明显增加。结合阻尼电路和有源驱动方法可以令使用混合IGBT模块的系统获得更好的电磁兼容性能。

IGBT模块封装热应力研究

IGBT模块封装多层结构的热不匹配将产生热应力从而影响器件可靠性。给出了IGBT模块热应力模拟结果及减小硅芯片热应力的方法 ,并计算出模块封装最佳参数及热应力与温度的关系 。

功率变换器IGBT开关模块的传导电磁干扰预测

提出一种新的频域模块化建模方法,用于预测功率变换器中传导电磁干扰噪声源。该建模方法以绝缘栅双极晶体管开关模块为基本单元,在一定的开关条件下,建立诺顿等效电路,获得噪声电流源和噪声源阻抗,连同传播路径一起构成功率变换器系统的电磁干扰预测模型。搭建一个标准的实验平台,可以方便地控制开关条件以及提取传播路径参数。实验结果表明,该模块化模型可以精确预测整个传导干扰频段内的电磁干扰噪声。最后的非线性分析验证了该方法的有效性和通用性。

一种模块化的感应电机系统传导电磁干扰预测模型

深入研究感应电机驱动系统传导电磁干扰机理问题,对于由脉宽调制(pulse width modulation,PWM)功率变换器产生的电磁干扰源,提出将各开关状态分为2种模式,并结合负载电流的各个不同水平,建立各开关状态下的噪声源模型组合,感应电机驱动系统噪声源可根据这些组合联立获得。针对感应电机驱动系统中长线传输时电压反射现象及其造成的电机端过电压,建立长线电缆的高频传输线模型;分析感应电机绕组的高频特性,根据传输线理论,建立简化的感应电机高频等效模型。根据精确的噪声干扰源模型、长线电缆模型和电机模型,构建感应电机驱动系统“干扰源-传播路径-受扰体”的整体传导电磁干扰预测模型,实现其传导电磁干扰的有效预测。

IGBT功率模块状态监测技术研究现状

介绍了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块键合引线脱落和焊料层疲劳两种主要的失效形式,分析了各自的失效机理。从IGBT功率模块失效发生部位的角度出发,即按照基于封装失效的状态监测技术和基于芯片失效的状态监测技术的分类方法,综述了国内外IGBT状态监测技术,总结了两种主要失效形式的外部特征参量的变化,认为IGBT状态监测技术是进行故障预测及诊断、提高IGBT功率模块可靠性、减少经济损失的重要方法。对各种监测方法的优缺点及可行性进行了分析,探讨了其进一步的发展方向,对如何准确获取状态参量、如何提高状态监测技术的准确性等关键问题进行了展望。

电路和器件对IGBT模块并联运行的影响

正确地确定静态和动态运行的降额因子,保证了ICBT模块并联的可靠运行。

新型6.5kV IGBT模块——中电压应用的可靠器件

介绍了6.5kV IGBT芯片制造和封装技术的特点,以及在牵引、工业传动和大功率脉冲等方面的中电压应用。

IGBT模块封装回流焊的应力翘曲分析

为探究回流焊接工艺对功率器件封装的影响,应用DesignModeler建立了基于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块的3D封装模型;运用ANSYS软件对IGBT模块进行热-结构耦合分析;结合单元生死法与焊料Anand模型得到IGBT模块温度分布、应力分布以及翘曲分布;最后利用正交分析法对不同组件厚度的翘曲及应力分布进行对比。结果表明:IGBT模块翘曲随基板厚度的增大而减小,随键合铜(direct bonded copper,DBC)铜层厚度的增大而增大,随纳米银焊料层厚度的增大先增大后减小。焊料层厚度对模块翘曲影响最大,纳米银焊料层厚度对模块翘曲影响最小,各组件参数对焊料层残余应力无较大影响。综合考虑得出最优的材料参数,翘曲结果较最初的参数降低了77.24%,为IGBT模块的封装设计提供参考。

基于ANSYS的IGBT模块健康状态研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的老化失效会对电力电子系统的可靠性造成不良影响,其中键合线疲劳是IGBT模块老化失效的主要原因之一。为探究键合线疲劳对IGBT模块的影响,通过ANSYS有限元仿真,定量分析键合线脱落与IGBT模块健康状态之间的联系,结果表明键合线脱落不仅会使IGBT模块的结温升高,键合线受到的热应力增大,而且还会增大芯片下方的焊料层等效塑性应变,加速IGBT模块的失效。

用于风电的模块化多电平变流器IGBT的定制化设计

模块化多电平换流器(MMC)已广泛应用于风力发电系统中,其中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的设计直接影响着系统的各项性能。而IGBT模块的设计选型缺乏理论指导,存在IGBT模块裕量选取过大造成的成本浪费现象,因此文中提出一种基于双目标优化的IGBT的定制化设计方法。首先以损耗和芯片成本作为IGBT定制化设计的指标,结合风力发电的年运行工况,根据风速的概率分布来评估IGBT损耗,通过双目标粒子群算法求得Pareto前沿。最后,分别采用IGBT模块和分立元件2种方法进行定制化设计,结果表明所提设计方法在降低器件成本的同时可以兼顾变流器的损耗和可靠性。

100A/1200V Si/SiC混合模块对比研究(英文)

采取对比的方法将Si IGBT/Si FRD模块与Si IGBT/SiC SBD模块静态及动态特性进行了测量与分析。测试表明,将Si IGBT模块中Si FRD替换为SiC SBD后开关损耗减小明显,提升效率的同时可大大提高功率模块的工作频率,降低系统体积。为了解释Si IGBT/SiC SBD混合模块开通过程中电流电压振荡现象,本文对模块开通与关断过程中电流的流通路径进行了对比,用以解释产生开通振荡的原因。分析中发现,开通振荡主要来自于模块封装杂散电感与IGBT输出电容及SiC SBD结电容产生的LC谐振。SiC SBD由于结电容较大而导致开通振荡较为明显。因此,为了提高SiC器件系统的可靠性,需要找到一种低电感封装技术,满足SiC器件封装要求。

适合中高频应用的NFM系列IGBT模块

针对医疗仪器和电焊机等市场领域对中高频开关应用的需求,三菱电机开发了NFM系列中高频IGBT模块。本文分析了电流谐振逆变器在两种不同工作模式下的波形和特征,然后详细介绍了NFM系列模块设计中采用的关键技术,包括IGBT硅片、超高速续流二极管(Free Wheeling Diode,简称FWD)、低电感封装技术等,并指出这种模块在中高频开关应用时在低损耗方面的优越性。