IGBT模块在线状态监测系统设计

发布时间：2020-11-06 09:47

　　 IGBT功率模块作为新能源领域里面电力电子变流装置的核心器件,其在工况运行下的长期安全可靠工作对于整个系统的稳定健康至关重要。因此,通过实时精准地对IGBT功率模块工作时的相关参数进行在线监测,实现对模块的可靠性评估和寿命预测。在模块健康状况下降或使用寿命即将到期时及时反馈并采取措施,能够避免一些不必要的安全事故和财产损失。本文介绍了IGBT功率模块的失效机理和寿命预测的国内外研究现状以及发展动态,在对IGBT在线监测参数分析的基础上,进行功率损耗、电热模型、寿命预测和在线监测等方面的研究。首先,阐述和分析IGBT的基本结构、工作原理、运行特性以及模块的封装设计,对器件的失效因素和失效模式进行分析总结,得出器件的可靠性与其工作中的结温密切相关;其次,由于器件工作时的结温难以直接精确测量,因此通过分析模块的功率损耗和热模型,在Simulink中搭建电热模型对结温参数进行仿真,同时借助器件制造商提供的工具进行仿真,二者结果进行对比验证;再次,针对器件工作中的温度参量与其寿命的关系,通过几种寿命预测模型的结果分析比较,实现对器件失效时的循环次数进行初步的预测;最后,在前文对IGBT模块工作中的电压、电流、温度、功耗、寿命等监测参量分析的基础上,通过Matlab GUI图形用户界面设计在线状态监测系统实现数据的分析处理。围绕这几部分的分析研究实现对IGBT模块在工作中健康状态的在线监测,对其可靠性评估和寿命预测进行了初步的研究。
【学位单位】：西安工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP274;TN322.8
【部分图文】：

2 3 合线直径一般为 300~500 μm ，通常是在纯铝硅镍合金，这样会大大提升铝的硬度和抗腐冲器相连，承受的温度变化比较大，而 IGB会有不同程度的热疲劳。随着工况运行时间性的挤压和拉升，远远超出材料本身的伸缩、颗粒滑行、错位等不同方式释放出去。而，导致方块电阻增加，这也能说明ceV 随着用下会导致键合线在根部产生裂痕，如图

ce用下会导致键合线在根部产生裂痕，如图 2图 2-9 键合线脱落的焊料层也会因热膨胀系数的不同产生裂痕增加，进一步增强欧姆效应，这种情况下温导致模块的失效。焊料层的空洞也不容忽视的散热性能降低，进一步加快模块的老化损

模块的开关损耗与其芯片结温密切相关，特别是 IGBT 大多数情况都是用的开关状态，对于散热的处理要求比较高。基于长期安全可靠运行的考虑，必考虑 IGBT 模块的各项安全系数。实际工程应用中的 IGBT 模块选择，不仅要明确所设计的电源容量、体积重格尺寸、开关频率等，还要综合考虑复杂的外部运行工况，但是通常情况下，几方面是 IGBT 选择时均需要考虑的因素。(1)控制电压IGBT 栅极控制电压的选择在前文有所提及，这里再作详细分析。由于 IGB的存在，集电极电流cI 和栅射极电压geV 存在函数关系，饱和压降ge(sat)V 也受控的影响[43]。如图 3-1 所示为 IGBT 不同控制电压的转移特性曲线，从图中对比出，栅射极电压越高，集电极电流则越大，同时饱和压降也越低。此外，模块损耗和饱和压降有关，想要降低通态损耗则需要较高的控制电压，但是在短路，过高的栅射极电压会导致大的短路电流，在图 3-2 所示的 IGBT 短路特性曲以明显看出这一点。
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 马晋;王富珍;王彩琳;;IGBT失效机理与特征分析[J];电力电子技术;2014年03期

2 马晓军;杨宗民;刘春光;曾庆含;;电力电子器件的实时仿真[J];电力系统自动化;2013年18期

3 刘宾礼;刘德志;唐勇;陈明;;基于加速寿命试验的IGBT模块寿命预测和失效分析[J];江苏大学学报(自然科学版);2013年05期

4 周雒维;吴军科;杜雄;杨珍贵;毛娅婕;;功率变流器的可靠性研究现状及展望[J];电源学报;2013年01期

5 王彦刚;Jones Steve;刘国友;;功率IGBT模块的可靠性分析[J];机车电传动;2013年01期

6 杜明星;魏克新;;IGBT 模块故障机理及其预报方法综述[J];世界科技研究与发展;2010年06期

7 蒋玉想;李征;;基于双脉冲的IGBT及驱动电路测试方法[J];电子技术;2012年07期

8 吴锐;温家良;于坤山;陈中圆;韩健;蔚泉清;;电压源换流器开关器件损耗建模[J];中国电机工程学报;2012年21期

9 汪波;胡安;唐勇;陈明;;IGBT集电极漏电流特性及影响分析[J];电力电子技术;2011年10期

10 朱选才;徐德鸿;Hidetoshi Umida;Kazuaki Mino;;应用逆阻型IGBT的移相控制电流型全桥零电流开关DC/DC变换器[J];中国电机工程学报;2006年12期

相关博士学位论文 前2条

1 朱利恒;新型RC-IGBT的研究[D];电子科技大学;2014年

2 徐盛友;功率模块IGBT状态监测及可靠性评估方法研究[D];重庆大学;2013年

相关硕士学位论文 前9条

1 张薷方;基于有限元法的IGBT模块封装散热性能及热应力的仿真研究[D];重庆大学;2015年

2 赵瑞松;电力半导体器件风冷散热系统实验装置设计[D];重庆大学;2015年

3 禹鑫;IGBT功率模块的失效研究与键合线状态监测[D];天津理工大学;2015年

4 石大鹏;三相逆变系统中IGBT功率模块温度影响研究[D];河北工业大学;2014年

5 潘洋;IGBT封装模块散热特性的研究[D];华中科技大学;2013年

6 付耀龙;IGBT的分析与设计[D];哈尔滨工业大学;2010年

7 梁丰收;三相四桥臂逆变电源控制研究[D];西南交通大学;2010年

8 随新鲜;计及分布式电源的配电网的可靠性及其经济性研究[D];西南交通大学;2010年

9 侯绪超;基于MATLAB的喷雾图像测量系统的研究[D];长安大学;2010年

本文编号：2872979