【摘要】：壓接式IGBT(press pack IGBT,PPI)是柔性直流輸電裝備的關(guān)鍵部件,相比于傳統(tǒng)焊接型器件具有結(jié)構(gòu)緊湊、失效短路、雙面散熱,可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。研制國產(chǎn)化PPI并將其廣泛應(yīng)用于換流閥和斷路器中,對(duì)于提升電網(wǎng)功率等級(jí)以及系統(tǒng)可靠性具有重要意義。由于PPI通過壓力維持電極間的緊密接觸,如果施壓不均或者不能進(jìn)入穩(wěn)定的失效短路模式,PPI將很難體現(xiàn)出其封裝優(yōu)勢(shì),并穩(wěn)定地為電網(wǎng)服務(wù)。針對(duì)這一情況,本論文將分兩個(gè)方面對(duì)PPI展開研究,一方面仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,研究PPI的特性及其與壓力的相關(guān)性,另一方面通過實(shí)驗(yàn)研究PPI器件特有的失效短路模式。主要的研究工作包括以下幾個(gè)方面:首先,研究PPI的動(dòng)靜態(tài)特性及其與壓力和溫度相關(guān)性。本文首先搭建了動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)。具體做法是:將靜態(tài)測(cè)試儀B1505A與溫箱結(jié)合,在不同的溫度條件下,進(jìn)行靜態(tài)參量的測(cè)試。研制PPI的實(shí)驗(yàn)夾具,測(cè)試在不同的壓力條件下PPI的基本特性,分析溫度與器件的閾值電壓與飽和壓降的關(guān)系,分析施加壓力與PPI器件接觸電阻、接觸熱阻的關(guān)系。其次,針對(duì)PPI實(shí)際應(yīng)用過程中,采用多芯片并聯(lián)來提高功率等級(jí)時(shí),模塊內(nèi)芯片間存在壓力不均,且現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下,無法測(cè)得器件內(nèi)部壓力分布的情況,論文提出了單芯片壓接式器件并聯(lián),模擬研究多芯片器件受壓力不均影響的方法。首先,結(jié)合測(cè)得的靜態(tài)特性以及查閱得到的材料屬性,遵照多物理場(chǎng)的耦合規(guī)律,建立單芯片PPI有限元模型,并進(jìn)一步擴(kuò)展為多芯片并聯(lián)的有限元模型;然后,建立兩芯片并聯(lián)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)并開展實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證并聯(lián)有限元模型的有效性;最后,將該并聯(lián)模型進(jìn)一步推廣到1500A的實(shí)際PPI模塊的特性研究中,通過仿真分析了壓力不均對(duì)器件電熱分布的影響規(guī)律。最后,論文研究了PPI器件特有的失效短路模式,主要工作包括:搭建短路實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展短路實(shí)驗(yàn),得到失效短路的芯片樣品;并利用電子顯微鏡分析,通過微觀結(jié)構(gòu)觀察其失效點(diǎn)特征,分析失效原因;在短路芯片的基礎(chǔ)上,進(jìn)行短路耐受性實(shí)驗(yàn),研究芯片短路老化以及到最后走向開路失效的過程,并分析其老化機(jī)理;模擬斷路器工況,在短路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上添加母線電感,延緩器件失效短路過程,發(fā)現(xiàn)大電流脈沖下的失效模式,并分析其失效原因。
【圖文】：

圖 1.1 焊接型 IGBT 和壓接型 IGBT 模塊典型剖面結(jié)構(gòu)圖Fig1.1 diagram of IGBT modules and Press-Pack IGBTs 1.1 顯示了壓接式 IGBT 和焊接型 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)“纖弱”鍵合引線連接了電極和芯片，也是電流的主要流通路徑的流通；而壓接式 IGBT 通過上下電極的壓力來緊密連接芯片而下的電流流通路徑顯然更加“寬闊”、牢靠，，從而更能適用況。而在壓接式 IGBT 的特性中，最值得關(guān)注的就是 IGBT 模塊失效短路特性。力分布而言，一方面相比于傳統(tǒng)的焊接型 IGBT，壓力特性是其點(diǎn)。另一方面由于封裝材料的公差以及器件工作過程中模塊內(nèi)導(dǎo)致封裝模塊內(nèi)部會(huì)存在嚴(yán)重的壓力不均現(xiàn)象，圖 1.2 通過壓力內(nèi)部的壓力分布情況，可以看到存在嚴(yán)重的壓力不均問題。因力問題的研究，找到壓力不均可能導(dǎo)致的一系列問題，從而進(jìn)

1.1 焊接型 IGBT 和壓接型 IGBT 模塊典型剖面結(jié)構(gòu)Fig1.1 diagram of IGBT modules and Press-Pack IGB了壓接式 IGBT 和焊接型 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)，鍵合引線連接了電極和芯片，也是電流的主要而壓接式 IGBT 通過上下電極的壓力來緊密流流通路徑顯然更加“寬闊”、牢靠，從而壓接式 IGBT 的特性中，最值得關(guān)注的就是 特性。言，一方面相比于傳統(tǒng)的焊接型 IGBT，壓力方面由于封裝材料的公差以及器件工作過程模塊內(nèi)部會(huì)存在嚴(yán)重的壓力不均現(xiàn)象，圖 1.2力分布情況，可以看到存在嚴(yán)重的壓力不均研究，找到壓力不均可能導(dǎo)致的一系列問題
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM721.1;TN322.8

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2649592