基于多物理场耦合的IGBT模块失效建模与仿真

发布时间：2020-04-09 17:50

【摘要】：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)因其具有饱和压降低,通态电流小等优点而成为如今新能源发电、电动汽车和智能电网的重要单元,因此其安全可靠性也受到越来越多的关注。当前IGBT模块器件封装形式主要有焊接式和压接式两种,而其中焊接式发展较成熟,应用较广泛。本文基于多物理场耦合角度,建立IGBT模块的三维模型,对焊接式IGBT模块的几种失效状态进行仿真研究,进而提出优化模块的可能。主要研究成果如下:1.基于多物理场有限元仿真软件,选取一种IGBT模块,建立其三维模型,分别将键合线和焊料层作为主要研究对象。由于研究侧重点的不同,分别建立适当的模型,以适应不同的研究需求。当键合线为研究对象时,以删除引线的方式模拟键合线脱落的工作状态;当焊料层为研究对象时,忽略键合线的存在,简化模型进行研究。2.首先分别对键合线稳态情况和暂态情况下进行仿真,重点观察键角上表面、下表面的温度变化情况,以及整个模块最高温度,得到影响IGBT模块温度分布的主要因素。再仿真键合线故障后的工作状态,得到键合线部分脱落对IGBT模块可靠性的影响。然后对焊料层正常工作的情况仿真以作对比,再研究焊料层空洞不同位置、不同大小对IGBT模块芯片最高温度的影响,以得到影响焊料层可靠性的关键因素。3.提出一种新的材料C7025作为键合线材料较传统铝线作为键合线原料时可能存在的优势,并通过与铝线的对比验证可行性,以达到尽可能延长IGBT模块键合线使用寿命的目的。研究新型材料Sn-Ag-Cu-0.5Sb作为焊料较传统焊料层材料Sn-Ag-Cu的优势,通过仿真各种工况下两种焊料的性能对比,加以证明新焊料的优势,以达到尽可能延长IGBT模块焊料层使用寿命的目的。通过以上对IGBT模块可靠性的研究建模仿真,提出的可能优化模块的方法,可以对延长IGBT模块使用寿命提供一些指导意义。
【图文】：

图 1-1 IGBT 的应用领域IGBT 的发展，将两个或者更多的 IGBT 芯片按一定的电路树脂封装起来，从而形成 IGBT 模块。IGBT 模块应用的开关频率更高、体积更小。这一趋势需要更大的动态负在 IGBT 模块的长期使用过程中，模块要承受温度和应都会加速材料的疲劳、失效，尤其根据工业部门的统计起的失效损坏占将近六成。鉴于 IGBT 模块的制造、维长其使用寿命，提高其可靠性以满足电力电子系统可持，虽然在众多学者的不断研究探索下，提高电力电子器大的提高，但是无奈随着科技的进步，工作状态愈加复的可靠性和失效、故障问题就应运而生。所以继续不停况、预测更多可能出现的情况、提出更多以各种角度提可能、对各种工况下的运行状态进行不断的优化和改进意义和实际价值的[6,8,9]。

20 世纪 60 年代，可控硅整流器(SCR)开始被应用于许多电力电子设备，随进的可控硅导致了电力变换器的开发。随着脉宽调制(PWM)控制技术的发开始对具有快速开关、高耐受能力的 自开关 器件有强烈的需求。可关断TO)晶闸管和具有多扩散层的平面型达林顿双极功率晶体管应运而生。在 20 70 年代，功率 MOSFET 开始商业化。但是，因为仍然存在致命的缺陷：它的闭锁性能很差，因此，，新型的 MOS 门控双极器件于 1985 年首次成功市场，被命名为绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简IGBT）[46]。IGBT 功率模块是指由两个或多个 IGBT 按着一定的电路原理，进行连接和而构成的功率模块。其实是一种复合的功率器件，它集合了双极型功率晶以及功率 MOSFET 的双重优点。又因其先进的加工技术，使得模块的通态电压较低、开关频率较高。目前大体分为电压低、电流小的分立式 IGBT，应用于小容量的电力电子装置；电流可达数十到千安、电压达数千伏的T 模块，主要应用于大电压、大电流的电力电子装置，如图 2-1 所示[6]。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN322.8

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本文编号：2621070