功率器件参数自适应热网络模型的研究

发布时间：2020-04-12 07:36

【摘要】：随着工艺技术的发展,绝缘栅双极型晶闸管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)得到了快速的发展,应用在如石油和天然气开发、新能源发电、电动汽车等诸多领域,是实现电能变换和控制的关键。IGBT模块工作环境较为恶劣,如电流强度大、电压等级高、工作期间开关频率高,这些都给器件的可靠性带来隐患。研究数据表明,大约55%的失效是由结温过高引起的。因此,研究IGBT模块结温与寿命的关系,可以有效降低系统失效率,提高系统可靠性。本文以IGBT功率模块为研究对象,在模块建模、结温监测以及寿命预测等方面开展研究。首先,根据IGBT模块的物理参数和温度特性在PLECS软件中建立Cauer热网络模型,模拟模块的静态和动态特性。基于传统Cauer热网络模型,提出了一种改进方法,有效提高IGBT模块的结温估计精度。该方法既考虑了温度对IGBT模块的材料特性的影响,又基于其物理结构和原理分析了模型参数误差的成因。从稳态和瞬态结温预测两个方面,对传统的Cauer热网络模型进行参数修正,研究利用参数自适应的热网络模型估计结温的通用方法。其次,总结IGBT功率模块焊料层老化失效的内在机理,分析其热流路径的变化规律,探究焊料层老化与电热变量之间的耦合关系,建立自适应Cauer热网络模型,在准确预测IGBT结温的同时,又可以捕捉由焊料层老化引起的IGBT模块热行为的变化。最后,利用有限元分析软件建立IGBT模块3D实体模型,模拟器件温度场分布,验证改进模型的性能。搭建实验平台进行相关实验,将实验结果与仿真结果对比分析,从而结果验证了本文提出的参数自适应Cauer热网络模型不仅有良好的结温预测性能,还可以捕捉由焊料层老化引起的热行为变化。
【学位授予单位】：天津理工大学
【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：2624454