【摘要】：絕緣柵雙極型晶體管作為功率開關(guān)器件,具有載流密度大、飽和壓降低等許多優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、高壓輸電等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域中。IGBT功率模塊工作環(huán)境惡劣,導(dǎo)致器件疲勞老化。如電流強(qiáng)度大、電壓等級高、工作期間開關(guān)頻率很高,這些都給器件的可靠性帶來隱患。通過長期研究和工作的經(jīng)驗,大約55%的失效原因是因為器件工作時的電壓、電流、開關(guān)頻率較高,導(dǎo)致器件的結(jié)溫升高,而結(jié)溫升高間接加速模塊的老化程度,當(dāng)結(jié)溫達(dá)到一定的高度時,器件的疲勞程度會呈現(xiàn)幾何級數(shù)上升趨勢,從而加速失效。因此研究IGBT功率模塊結(jié)溫與其壽命的關(guān)系,可以降低系統(tǒng)失效率,提高系統(tǒng)可靠性。本文以IGBT功率模塊為研究對象,在模塊電熱建模、結(jié)溫評估、壽命預(yù)測等方面展開研究。首先,簡要介紹了IGBT功率模塊的基本結(jié)構(gòu)和運行原理,詳細(xì)歸納和分析了IGBT功率模塊失效原因和失效形式,將失效原因歸為物理和電氣兩類原因。其次,根據(jù)結(jié)溫測量原理,充分借鑒現(xiàn)有模型建立IGBT功率模塊電熱模型,該模型能夠反映器件功率損耗與結(jié)溫上升之間的關(guān)系,是一個電熱耦合過程,需要建立電熱聯(lián)合仿真模型。本文詳細(xì)討論了如何建立IGBT功率模塊的電仿真模型和熱仿真模型。再次,基于MATLAB/Simulink軟件,搭建起IGBT功率模塊的電仿真模型、熱仿真模型,仿真模塊實際工作時的電熱耦合過程,將電流、電壓作為仿真變量,仿真得到IGBT功率模塊的結(jié)溫和殼溫。最后,通過分析研究表明,IGBT功率模塊的壽命與結(jié)溫有著密切的關(guān)系,預(yù)測模塊的壽命可以將結(jié)溫作為變量,采用壽命預(yù)測數(shù)學(xué)模型得到模塊正常工作情況下的壽命。
[Abstract]:As power switch devices, insulated gate bipolar transistor (IGBT) has been widely used in many key fields, such as new energy generation, high voltage transmission and so on, because of its high current density and low saturation voltage. Causes the device fatigue aging. Such as high current intensity, high voltage level and high switching frequency during operation, all of these bring hidden trouble to the reliability of the device. Through long-term research and working experience, about 55% of the failure reasons are due to the high voltage, current and switching frequency of the device, which leads to the increase of the junction temperature of the device, while the increase of the junction temperature indirectly accelerates the aging degree of the module. When the junction temperature reaches a certain height, the fatigue degree of the device will show a geometric progression upward trend, thus accelerating the failure. Therefore, the study of the relationship between the junction temperature of IGBT power module and its lifetime can reduce the failure rate of the system and improve the reliability of the system. In this paper, the IGBT power module is taken as the research object, in the aspects of module electrothermal modeling, junction temperature evaluation, life prediction and so on. Firstly, the basic structure and operation principle of IGBT power module are briefly introduced, the failure reasons and failure forms of IGBT power module are summarized and analyzed in detail, and the failure reasons are classified into physical and electrical causes. Secondly, according to the principle of junction temperature measurement, an electrothermal model of IGBT power module is established based on the existing model. The model can reflect the relationship between device power loss and junction temperature rise, and it is an electrothermal coupling process. It is necessary to establish a joint electrothermal simulation model. This paper discusses in detail how to establish the electrical simulation model and thermal simulation model of IGBT power module. Thirdly, based on MATLAB / Simulink software, the electrical simulation model, thermal simulation model and electrothermal coupling process of IGBT power module are built. The current and voltage are taken as simulation variables, and the junction and shell temperature of IGBT power module are obtained by simulation. Finally, it is shown that the life of IGBT power module is closely related to the junction temperature. The life of IGBT power module can be predicted by taking junction temperature as a variable, and the life of the module under normal working condition can be obtained by using the life prediction mathematical model.
【學(xué)位授予單位】：河北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN322.8

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本文編號：2123120