功率模块的耦合热网络模型和封装参数的优化研究
发布时间：2020-10-22 05:07
功率器件的快速发展使其广泛应用在航天、风电、电动汽车等领域中,然而越来越高的功率密度以及恶劣的运行环境等对功率器件的可靠性带来了巨大的挑战。模块在运行过程中产生的功率损耗使模块处于循环波动的温度下,随之产生交变的热应力使得模块内各层材料受到挤压或者拉伸,长期运行下导致模块失效。因此,有必要对运行状态下模块的结温进行估测,这样一方面可以采取措施使模块工作在安全的温度范围内,另一方面可以进行模块的结温优化。随着功率模块功率密度的增大,芯片之间的距离越来越近,模块工作时,芯片的温度会相互影响,这会造成模块温度进一步的增大。即模块的结温不仅包括自身损耗产生的热量也会受到来自其他芯片的热影响。然而,传统热网络模型未考虑到芯片之间的热影响作用,使用传统热网络模型对芯片温度进行预测将会得到较低的温度,使结温预测产生较大的误差,有必要建立新的热网络模型以精确的获取功率模块的结温。因此本文首先分析模块内热传导情况,基于模块内热的横向传导分析热交叉耦合作用的机理,并根据单芯片工作时其他芯片受到的温度影响建立交叉耦合热网络模型,进而通过有限元仿真获取模型中的热阻、热容参数。并且对交叉耦合热网络模型、传统热网络模型以及有限元模型获取的平均结温情况进行对比。然后基于所提出的交叉耦合热网络模型搭建关于有源负载电路的电热耦合模型,进行不同运行条件下芯片温度的预测,同时搭建有源负载实验平台进行模型的验证。进一步地,分别基于传统模型以及交叉耦合热网络模型搭建关于三相电机的电热耦合模型,来模拟汽车运行在美国城市循环工况(UDDS)时,变流器用功率模块的结温情况,并进行模块的损伤估计以及寿命预测,以研究耦合模型对模块寿命的影响。最后利用有限元仿真软件对功率模块热阻以及工作时受到的热应力进行分析,以进行模块封装参数的优化。对比优化前、后的模块在UDDS汽车运行工况下的结温可见,优化后的模块可以得到较小的芯片温度,从而在一定程度上提高模块的可靠性。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM933.3
【部分图文】：
模块长期运行在严酷的条件下，将会导致严重的老化以及可靠性问题在电力系统失效中，21%的失效为半导体失效所导致[5,6]，如图 1-1(交流调速系统的故障源于功率器件的失效[7]。研究人员发现，IGBT式主要有：键合线剥落，芯片的金属化重建，焊料疲劳等失效形式[说，造成其失效的因素有很多，除了外部环境因素如图 1-1(b)所示的、污染物的影响[5,6]外，过电压：集电极-射极电压或门极-射极电压过流与过载；过应力导致的陶瓷裂纹以及内部焊料重新熔化等[9]都会造针对功率模块常见的失效形式分析其失效原因：模块运行过程的功率环变化的温度下，由于模块内部各层材料热膨胀系数(CTE)不同而产导致焊层材料、键合线等疲劳老化以及器件热特性退化，这又进一步，加速模块老化过程，正反馈作用下导致模块失效。功率模块结温作效的关键因素，对变流器系统的可靠性有着巨大的影响，并且影响着以及使用寿命。因此，需要精确获取功率器件的结温情况。
法是：光束聚焦在半导体芯片的中心区域时会从半导散射的光能是局部半导体芯片温度的函数，测量光片的温度。文献[10-13]各自利用红外传感器(IR)，率模块的结温进行测量，可映射出功率模块的结温如热敏电阻[14]，热电偶等可用来获得功率半导体器内安装热敏电阻(NTC)，使用户能够方便的进行结感元件，Motto 等人提出在芯片表面添加半导体二极管 RT于二极管的正向压降与温度呈线性关系，因此可以
过程或关断过程中产生的损耗，静态损耗为模块处于导通状态下或关断状态下的。运行在变流状态下 IGBT 功率器件，其内部 IGBT 芯片以及二极管芯片处于不断通、关断过程中，因此有必要对其动态损耗以及静态损耗进行分析。.1.1 芯片的开关损耗以及饱和压降对于功率模块而言，其损耗包括 IGBT 芯片损耗以及反并联二极管芯片的损耗。率模块处于变流状态时，其内部 IGBT 芯片的损耗主要包括开关损耗以及导通损耗于二极管的开通损耗很小，可忽略不计[59]，其损耗主要包括关断损耗以及导通损耗此，有必要研究 IGBT 与二极管芯片在一次开、关过程中产生的损耗以及芯片的饱降情况，以进行模块的平均损耗分析。芯片在一次开、关过程中产生的损耗可以通过双脉冲实验进行获取[59]，也可以从厂家提供的数据手册上直接获取。以英飞凌 FF50R12RT4 功率模块为例，数据手册供了 125 度以及 150 度温度下的 IGBT 一次开、关过程的损耗，如图 2-1(a)，(b)所示
【参考文献】
本文编号：2851138
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM933.3
【部分图文】：
模块长期运行在严酷的条件下，将会导致严重的老化以及可靠性问题在电力系统失效中，21%的失效为半导体失效所导致[5,6]，如图 1-1(交流调速系统的故障源于功率器件的失效[7]。研究人员发现，IGBT式主要有：键合线剥落，芯片的金属化重建，焊料疲劳等失效形式[说，造成其失效的因素有很多，除了外部环境因素如图 1-1(b)所示的、污染物的影响[5,6]外，过电压：集电极-射极电压或门极-射极电压过流与过载；过应力导致的陶瓷裂纹以及内部焊料重新熔化等[9]都会造针对功率模块常见的失效形式分析其失效原因：模块运行过程的功率环变化的温度下，由于模块内部各层材料热膨胀系数(CTE)不同而产导致焊层材料、键合线等疲劳老化以及器件热特性退化，这又进一步，加速模块老化过程，正反馈作用下导致模块失效。功率模块结温作效的关键因素，对变流器系统的可靠性有着巨大的影响，并且影响着以及使用寿命。因此，需要精确获取功率器件的结温情况。
法是：光束聚焦在半导体芯片的中心区域时会从半导散射的光能是局部半导体芯片温度的函数，测量光片的温度。文献[10-13]各自利用红外传感器(IR)，率模块的结温进行测量，可映射出功率模块的结温如热敏电阻[14]，热电偶等可用来获得功率半导体器内安装热敏电阻(NTC)，使用户能够方便的进行结感元件，Motto 等人提出在芯片表面添加半导体二极管 RT于二极管的正向压降与温度呈线性关系，因此可以
过程或关断过程中产生的损耗，静态损耗为模块处于导通状态下或关断状态下的。运行在变流状态下 IGBT 功率器件，其内部 IGBT 芯片以及二极管芯片处于不断通、关断过程中，因此有必要对其动态损耗以及静态损耗进行分析。.1.1 芯片的开关损耗以及饱和压降对于功率模块而言，其损耗包括 IGBT 芯片损耗以及反并联二极管芯片的损耗。率模块处于变流状态时，其内部 IGBT 芯片的损耗主要包括开关损耗以及导通损耗于二极管的开通损耗很小，可忽略不计[59]，其损耗主要包括关断损耗以及导通损耗此，有必要研究 IGBT 与二极管芯片在一次开、关过程中产生的损耗以及芯片的饱降情况，以进行模块的平均损耗分析。芯片在一次开、关过程中产生的损耗可以通过双脉冲实验进行获取[59]，也可以从厂家提供的数据手册上直接获取。以英飞凌 FF50R12RT4 功率模块为例，数据手册供了 125 度以及 150 度温度下的 IGBT 一次开、关过程的损耗，如图 2-1(a)，(b)所示
【参考文献】
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本文编号：2851138
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