IGBT模块健康状态监测系统设计
发布时间：2022-01-13 08:51
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）以其良好的综合性能和强大的生命力,被广泛应用于可再生能源发电、汽车电子、机车牵引、航空航天等众多领域。IGBT功率模块作为电力电子系统中的核心器件,其长期安全可靠的运行对整个系统至关重要。因此,当前急需寻求一种IGBT模块的状态监测、故障诊断与安全评估的有效方法,以此实现对模块的可靠性评估和寿命预测,提高电力电子系统运行管理的自动化水平。本文基于IGBT模块失效机理设计了IGBT模块健康状态监测系统,主要对模块参数采集、结温预测和寿命预测等方面做了深入研究。首先,阐述和分析了IGBT模块的基本结构、工作原理、失效机理及寿命预测模型,总结对比了各种失效模式下的监测方式和方法。其次,由于IGBT模块工作时的结温难以直接精确测量,本文采用了dVCE（sat）/dICE的在线结温预测方法,并通过仿真和实验验证了该方法的可行性,同时详细分析了基于结温的IGBT模块寿命预测模型;接着,针对IGBT模块端部参数监测方法设计了模块健康状态监测系统,详述了采集模块和存储模块的硬件电路设计及其应用程序设计;最后,在整体健康状态监...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
功率变流器相关元件故障失效概率统计
图 1-2 失效原因概率统计Fig.1-2 Probability statistics of failure causes键组件可靠性调查结果表明：功率器件是变流器系统安全可靠运行的关杂多变，健康状况受多种因素影响。当前，国内外许多专家学者在功率研究，以提高电子与电力电子系统的可靠性，使其更符合对功率器件安的严格要求。GBT正常运行过程中，模块长期受到电、热应力的作用，随着作用效果的性能指标逐渐下降，最终可能导致模块失效，其性能的下降和失效的可阻挡和不可避免的。IGBT 功率模块如果出现故障，必然会使电力电到严重影响甚至损毁，其后果不堪设想。国内外研究学者在提高IGBT面已经做了大量工作，例如优化IGBT结构、降级使用、提升模块散热此故障依然时常出现，特别是在恶劣以及不稳定的运行环境中，因此需IGBT 模块的运行状态和性能指标[3]。而对于用户来说，IGBT 健康状种提高IGBT 模块可靠性的方式和方法。健康状态评估是基于健康状对测量的IGBT 特征参数进行评估，评估结果是人为设置的状态区间[4
IGBT是一种新型复合结构器件，它是由MOSFET 结构和GTR 结构共同组成的器件如图 2-1 所示。功率MOSFET 具有热稳定性强、输入阻抗高、工作速度快、驱动功率小等优点，但同时其是单极性器件，电流容量小、耐压低、导通电阻大。GTR 是一种电流驱动型双极性器件，具有载流能力强、阻断电压高等优点，但其驱动功率大、工作速度慢驱动电路复杂[24]。而IGBT兼具两者优点，具有GTR 的载流能力和MOSFET 的速度优势性能更加优良。IGBT内部结构图如图 2-2 所示，其与MOSFET 结构相似，两者的不同之处在于IGB的集电极是由功率MOSFET的 N+区（漏极侧）注入 P+高掺杂区形成了新的 PN 结而形成的。由于IGBT中 P+注入区与 N+缓冲区构成了一个新的 PN 结，使得IGBT的工作原理发生了变化。当IGBT 导通时，空穴由 P+注入区注入 N-漂移区，引入了电导调制效应，因此导通电阻减小。同时，由于有少子注入，使得其开关速度降低。为了保险起见，IGB通常以负电压关断（一般为-15V），使集电极电压远高于发射极电压，J2结发生阻断，IGB处于正向阻断状态[25-26]。同时 J1结和 J3结还处于正偏导通，为了使其阻断能力增强，必须将 N-漂移区做的足够宽，同时掺杂浓度要足够低。如今，随着生产技术的不断成熟和电力电子系统广阔的市场需求，使得IGBT在制造工艺和性能优化方面不断完善。
【参考文献】：
期刊论文
[1]感性负载条件下IGBT开通过程分析[J]. 唐新灵,崔翔,张朋,李金元,赵哿. 华北电力大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]IGBT开关瞬态实时仿真模型[J]. 林城美,王公宝,汪光森,李卫超,熊又星. 海军工程大学学报. 2017(01)
[3]IGBT功率模块状态监测技术研究现状[J]. 孔梅娟,李志刚,李雄,王存乐. 半导体技术. 2017(02)
[4]基于IGBT离线测试平台的功率逆变器损耗准在线建模方法[J]. 何湘宁,吴岩松,罗皓泽,李鹏,李武华,邓焰. 电工技术学报. 2014(06)
[5]高温下的IGBT可靠性与在线评估[J]. 唐勇,汪波,陈明,刘宾礼. 电工技术学报. 2014(06)
[6]IGBT失效机理与特征分析[J]. 马晋,王富珍,王彩琳. 电力电子技术. 2014(03)
[7]基于加速寿命试验的IGBT模块寿命预测和失效分析[J]. 刘宾礼,刘德志,唐勇,陈明. 江苏大学学报(自然科学版). 2013(05)
[8]IGBT 模块故障机理及其预报方法综述[J]. 杜明星,魏克新. 世界科技研究与发展. 2010 (06)
[9]IGBT功率模块状态监测技术综述[J]. 鲁光祝,向大为. 电力电子. 2011 (02)
[10]采用新型粒子群算法的电力电子装置在线故障诊断方法[J]. 陈如清. 中国电机工程学报. 2008(24)
博士论文
[1]功率模块IGBT状态监测及可靠性评估方法研究[D]. 徐盛友.重庆大学 2013
[2]功率器件状态监测的关键问题研究[D]. 杜明星.天津大学 2012
硕士论文
[1]计及疲劳累积效应的IGBT模块焊料层失效机理及疲劳损伤研究[D]. 江南.重庆大学 2016
[2]高压IGBT的失效机理分析[D]. 薛鹏.电子科技大学 2016
[3]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]. 张薷方.重庆大学 2015
[4]IGBT功率模块的失效研究与键合线状态监测[D]. 禹鑫.天津理工大学 2015
[5]IGBT失效分析技术[D]. 李琦.浙江大学 2015
[6]三相逆变系统中IGBT功率模块温度影响研究[D]. 石大鹏.河北工业大学 2014
[7]绝缘栅双极型晶体管结温测量方法的研究[D]. 毛娅婕.重庆大学 2013
[8]基于饱和压降测量的IGBT功率模块状态评估方法研究[D]. 杨旭.重庆大学 2012
[9]IGBT的分析与设计[D]. 付耀龙.哈尔滨工业大学 2010
[10]基于FPGA的超高速数据采集系统的开发[D]. 王振华.清华大学 2006
本文编号：3586110
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
功率变流器相关元件故障失效概率统计
图 1-2 失效原因概率统计Fig.1-2 Probability statistics of failure causes键组件可靠性调查结果表明：功率器件是变流器系统安全可靠运行的关杂多变，健康状况受多种因素影响。当前，国内外许多专家学者在功率研究，以提高电子与电力电子系统的可靠性，使其更符合对功率器件安的严格要求。GBT正常运行过程中，模块长期受到电、热应力的作用，随着作用效果的性能指标逐渐下降，最终可能导致模块失效，其性能的下降和失效的可阻挡和不可避免的。IGBT 功率模块如果出现故障，必然会使电力电到严重影响甚至损毁，其后果不堪设想。国内外研究学者在提高IGBT面已经做了大量工作，例如优化IGBT结构、降级使用、提升模块散热此故障依然时常出现，特别是在恶劣以及不稳定的运行环境中，因此需IGBT 模块的运行状态和性能指标[3]。而对于用户来说，IGBT 健康状种提高IGBT 模块可靠性的方式和方法。健康状态评估是基于健康状对测量的IGBT 特征参数进行评估，评估结果是人为设置的状态区间[4
IGBT是一种新型复合结构器件，它是由MOSFET 结构和GTR 结构共同组成的器件如图 2-1 所示。功率MOSFET 具有热稳定性强、输入阻抗高、工作速度快、驱动功率小等优点，但同时其是单极性器件，电流容量小、耐压低、导通电阻大。GTR 是一种电流驱动型双极性器件，具有载流能力强、阻断电压高等优点，但其驱动功率大、工作速度慢驱动电路复杂[24]。而IGBT兼具两者优点，具有GTR 的载流能力和MOSFET 的速度优势性能更加优良。IGBT内部结构图如图 2-2 所示，其与MOSFET 结构相似，两者的不同之处在于IGB的集电极是由功率MOSFET的 N+区（漏极侧）注入 P+高掺杂区形成了新的 PN 结而形成的。由于IGBT中 P+注入区与 N+缓冲区构成了一个新的 PN 结，使得IGBT的工作原理发生了变化。当IGBT 导通时，空穴由 P+注入区注入 N-漂移区，引入了电导调制效应，因此导通电阻减小。同时，由于有少子注入，使得其开关速度降低。为了保险起见，IGB通常以负电压关断（一般为-15V），使集电极电压远高于发射极电压，J2结发生阻断，IGB处于正向阻断状态[25-26]。同时 J1结和 J3结还处于正偏导通，为了使其阻断能力增强，必须将 N-漂移区做的足够宽，同时掺杂浓度要足够低。如今，随着生产技术的不断成熟和电力电子系统广阔的市场需求，使得IGBT在制造工艺和性能优化方面不断完善。
【参考文献】：
期刊论文
[1]感性负载条件下IGBT开通过程分析[J]. 唐新灵,崔翔,张朋,李金元,赵哿. 华北电力大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]IGBT开关瞬态实时仿真模型[J]. 林城美,王公宝,汪光森,李卫超,熊又星. 海军工程大学学报. 2017(01)
[3]IGBT功率模块状态监测技术研究现状[J]. 孔梅娟,李志刚,李雄,王存乐. 半导体技术. 2017(02)
[4]基于IGBT离线测试平台的功率逆变器损耗准在线建模方法[J]. 何湘宁,吴岩松,罗皓泽,李鹏,李武华,邓焰. 电工技术学报. 2014(06)
[5]高温下的IGBT可靠性与在线评估[J]. 唐勇,汪波,陈明,刘宾礼. 电工技术学报. 2014(06)
[6]IGBT失效机理与特征分析[J]. 马晋,王富珍,王彩琳. 电力电子技术. 2014(03)
[7]基于加速寿命试验的IGBT模块寿命预测和失效分析[J]. 刘宾礼,刘德志,唐勇,陈明. 江苏大学学报(自然科学版). 2013(05)
[8]IGBT 模块故障机理及其预报方法综述[J]. 杜明星,魏克新. 世界科技研究与发展. 2010 (06)
[9]IGBT功率模块状态监测技术综述[J]. 鲁光祝,向大为. 电力电子. 2011 (02)
[10]采用新型粒子群算法的电力电子装置在线故障诊断方法[J]. 陈如清. 中国电机工程学报. 2008(24)
博士论文
[1]功率模块IGBT状态监测及可靠性评估方法研究[D]. 徐盛友.重庆大学 2013
[2]功率器件状态监测的关键问题研究[D]. 杜明星.天津大学 2012
硕士论文
[1]计及疲劳累积效应的IGBT模块焊料层失效机理及疲劳损伤研究[D]. 江南.重庆大学 2016
[2]高压IGBT的失效机理分析[D]. 薛鹏.电子科技大学 2016
[3]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]. 张薷方.重庆大学 2015
[4]IGBT功率模块的失效研究与键合线状态监测[D]. 禹鑫.天津理工大学 2015
[5]IGBT失效分析技术[D]. 李琦.浙江大学 2015
[6]三相逆变系统中IGBT功率模块温度影响研究[D]. 石大鹏.河北工业大学 2014
[7]绝缘栅双极型晶体管结温测量方法的研究[D]. 毛娅婕.重庆大学 2013
[8]基于饱和压降测量的IGBT功率模块状态评估方法研究[D]. 杨旭.重庆大学 2012
[9]IGBT的分析与设计[D]. 付耀龙.哈尔滨工业大学 2010
[10]基于FPGA的超高速数据采集系统的开发[D]. 王振华.清华大学 2006
本文编号：3586110
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