压接式IGBT器件封装结构设计与压力和温度计算

发布时间：2020-05-13 10:47

【摘要】：近年来,我国新能源产业迅速发展。作为断路器以及换流阀中的核心电力电子器件,高压大功率压接式IGBT器件广泛应用于柔性直流输电等高压大功率应用领域。提高压接式IGBT器件的可靠性,对于保证电网安全可靠运行具有重要的意义。温度与压力为影响IGBT器件可靠性与并联芯片一致性的两大因素。为了改善IGBT器件的散热性能与均压性能,保证器件中并联子模组工作特性的一致性,同时,为了突破有限元法的局限性,更加快速有效地获取IGBT器件的温度与压力,本文对压接式IGBT器件的结构进行了优化设计与性能评估,并研究了 IGBT器件温度与压力的快速获取方法。本文提出了一种新型IGBT器件结构。为了对本文提出的新型IGBT结构的性能进行分析,本文构建了三种不同IGBT器件的有限元模型,根据IGBT器件的实际工况讨论了相对合理的边界条件设置方法,对三种不同IGBT器件结构的温度与压力进行计算。通过对本文提出的新型结构的形状、材料进行改变,进行结构优化,使其各项性能达到最优。在温度与压力有限元计算结果的基础上,能够对三种不同IGBT结构的散热性能与均衡压力性能进行分析与评价。当IGBT器件并联支路的一致性提高时,对IGBT器件进行一维简化的可行性也随之提高。本文采用有限元法对建立IGBT器件一维简化的假设条件进行了验证。建立了三种IGBT器件单支路的一维模型,并提出了温度与压力的一维双向耦合计算方法。基于传热方程、频域分析法、热网络法以及力学方程,讨论提出计算方法的理论基础。利用温度变化产生的热膨胀进行压力计算可以实现温度场与压力场的单向耦合;通过引入压力与接触热阻、接触电阻以及压力、温度与芯片产生热损耗的关系,可以建立温度与压力的双向耦合计算模型。本文考虑实际IGBT器件的散热条件、热流量扩散及压力边缘效应的影响,对一维模型的修正方法进行了介绍,包括直接计算与瞬态热阻抗法。通过有限元方法对不同IGBT器件的散热与均衡压力性能进行分析,表明本文提出的结构能够同时满足双面散热与压力均衡。在不同条件下,采用有限元法对温度与压力的一维计算方法进行验证。结果表明,对于三种不同的IGBT器件结构,本文提出的一维温度与压力的计算方法与有限元法的计算结果十分相近,即将IGBT器件简化为一维模型,进行温度与压力计算具有一定的适用性。
【图文】：

IGBT器件,内部结构,弹簧,压力均衡

－ＢＴ器件典型结构如图１－２所示，在每个芯片支路加了弹簧结构，在相同位移下，弹簧结构产生压力均衡分配至各个芯片。这种弹性压接的封装厚度以及压力夹具表面平行度的要求［３］。然而当

典型结构,器件,弹簧

华北电力大学硕士学位论文逡逑陶瓷管壳钥片逦填充介质邋硅芯片逡逑图１－１西码ＩＧＢＴ器件内部结构逡逑器件典型结构如图１－２所示，在每个芯片支了弹簧结构，在相同位移下，，弹簧结构产生力均衡分配至各个芯片。这种弹性压接的封度以及压力夹具表面平行度的要求［３］。然而中时，热量基本全部通过弹簧中心支柱传递，，较大地牺牲了压接式封装ＩＧＢＴ的双面散。逡逑
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN322.8

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