基于寿命模型的IGBT模块结温管理研究

发布时间：2020-05-08 06:27

【摘要】：随着电力电子学的快速发展,电力电子装置的大量投运,电力电子装置的可靠性问题受到越来越多的重视。功率半导体器件是电力电子装置中最重要,也是最容易失效的元器件,功率半导体器件的可靠性在一定程度上决定了整个电力电子装置的可靠性。因此,提高功率半导体器件的可靠性对提高电力电子装置整体的可靠性具有重大意义。结温管理技术是提高功率半导体器件寿命期望的有效技术手段,近年来有关结温管理的研究报道逐渐增多,但其重点围绕在结温调节方法上面。在结温调节的控制方法方面,尤其是结温管理策略方面的研究还缺乏相关的研究。论文以焊接式封装绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块为研究对象,从结温管理的仿真模型入手,研究了结温调节的控制方法,讨论了全局结温管理策略,最后针对现有结温调节方法的局限性提出了一种新的结温调节方法。1)IGBT行为模型的参数一般来源于IGBT模块数据手册,和每个IGBT模块真实的参数存在误差。针对IGBT行为模型参数不准确的问题,论文提出了一种IGBT行为模型参数校正方法。推导了IGBT开关暂态中各工作模态持续时间的表达式,归纳出影响各工作模态持续时间的模型参数并总结了模型参数的调整方法。通过对比不同负载电流下双窄脉冲实验和仿真的暂态波形,验证了模型参数的通用性;最后将参数校正后的行为模型应用于BUCK拓扑仿真,验证了校正参数后的行为模型能够较为准确地描述实际IGBT模块的开关暂态特性。2)现有结温调节控制方法普遍采用基于结温估算的开环控制方式,由于没有真实结温的反馈,导致结温调节效果不理想,只应用于验证结温调节方法的实验。为此,论文首次提出了使用基于壳温温差补偿的结温调节闭环控制方法。根据瞬态热网络模型讨论了壳温温差补偿的适用范围;根据稳态热网络模型推导了壳温温差补偿方法。3)为对论文所提方法进行验证,搭建了结温管理实验平台。该平台为三相桥式逆变器,设计额定功率为20kW,采用SPMW调制。为准确监测IGBT结温,实验平台使用了开封未灌胶的IGBT模块,采用红外测温仪直接测量结温。此外,还在IGBT芯片正下方的底板上开槽,用于埋入热电偶监测IGBT模块壳温。通过该实验平台对基于壳温温差补偿的结温调节闭环控制方法进行了验证,实验结果表明该方法可以有效的提高结温调节方法的效果,并且壳温温差补偿过程和理论分析相符。4)针对半导体器件的寿命周期较长,从工程实际应用中检验结温管理效果的反馈周期较长的问题,论文总结了IGBT寿命期望估算方法,并将该方法应用于评价结温管理效果。针对结温管理对象具有处理功率波动范围大、波动随机等特点,提出了基于幂函数分配规则的全局结温管理策略。首先从最简单的线性分配规则入手,然后根据线性规则存在的问题对全局管理策略进行了讨论。为保证负载在全域波动时,结温管理不会对IGBT寿命期望造成负面影响,需要改变不同电流时损耗补偿的斜率,因此提出了幂函数分配规则。针对全局结温管理策略调节能力不足的问题,提出了为负载剖面加窗的全局结温管理策略优化方法,并针对负载信息预知量的多少,讨论了不同的加窗方法。最后对全局结温管理策略及加窗方法进行了实际算例验证。5)调节开关频率是目前使用最为广泛的结温调节方法,该方法具有控制简单、不需要增加额外硬件的优点,但是该方法不能单独调整某一个IGBT的热载荷。除调节开关频率之外,其它结温调节方法也都有一定的局限性,如实现电路复杂,增加了新的安全隐患等。针对目前结温调节方法存在的局限性,论文首次提出了基于等效关断轨迹的结温调节方法。提出了可以移动IGBT关断轨迹的关断轨迹调节电路(turn-off trajectory adjustment circuit,TTAC),详细的阐述了TTAC的工作原理;根据TTAC的工作原理,分析了TTAC中器件参数对IGBT关断损耗的影响;根据器件参数对关断损耗的影响,推导了TTAC调节能力的评估方法以及TTAC控制变量和IGBT关断损耗的关系;最后做在论文搭建的结温管理实验平台上做了实验验证,实验结果和理论分析相符。和现有的结温调节方法相比,论文提出的结温调节方法具有可以独立调节每一个IGBT模块的热载荷、不会对变流器系统引入新的安全隐患、控制简单等优点。
【图文】：

尤其是工作在非平稳工况下的电力电子装置[1-2]。电力电到越来越多的重视。电力电子装置一般由功率半导体器件采样和处理电路，控制电路，驱动电路等构成。其中，功元器件，如图 1.1 所示[3]，功率半导体器件的可靠性在一定电子装置的可靠性。因此，提高功率半导体器件的可靠性体的可靠性具有重大意义。功率半导体器件中，绝缘栅双极型晶体管（Insulated GBT）是继第一代晶闸管器件，第二代 GTO 和功率 MOSF导体器件的典型代表，在现代工业领域应用十分广泛。根，IGBT 具有不同的封装形式。应用在小功率场合的 IGB用于中大功率场合的主要是 IGBT 模块，根据引线键合的分为焊接式封装和压接式封装；应用在超大功率场合的则中焊接式封装的 IGBT 模块在工业领域应用最为广泛，本T模块为研究对象，本文中的IGBT模块均指焊接式封装的

模块失效主要分两种情况，一种是外部机制引起的失效，如稳态过电流、稳态过电压、开通过电流、关断过电压、闩锁效应、宇宙射线等。这种失效一般是因为使用不当、制造工艺问题或人为控制失误等原因造成的。各种电应力在 IGBT 模块内部造成不同位置和不同程度的损坏，如因稳态过电流、过电压失效的扫瞄式电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）图像如图 1.2 所示[4]。应对该类失效的主要方法是为 IGBT 模块增加保护电路，如过压、过流保护电路；增强驱动电路可靠性以防止闩锁效应等。另外一种情况是 IGBT 内部结构老化引起的失效，如IGBT 芯片失效，IGBT 封装失效，这是一种因 IGBT 长期经受功率循环造成的热冲击，引起 IGBT 的内部结构退化的失效。相比于 IGBT 芯片，IGBT 模块的封装更加脆弱。一般的，IGBT 模块老化失效都是由于封装失效造成，本文中 IGBT 模块失效均指 IGBT 模块封装失效。该类失效属于 IGBT 经过正常的寿命消耗，，最终的 “寿终正寝”，不能通过增加保护电路消除。同时该类失效也是功率器件可靠性主要关心的问题，希望通过在已认知的失效机理基础上，提高 IGBT 模块的使用寿命。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN322.8

【参考文献】

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本文编号：2654270