基于电热耦合方法的IGBT模块结温测量工程应用研究

摘要

IGBT全名称为绝缘栅双极型晶体管。它既具有MOSFET输入阻抗较高、驱动功率较小、开通和关断速度比较迅速的优点。又拥有BJT(双极型)晶体管低导通压降和高密度载流的特点。已广泛应用于轨道交通、风力发电、电动汽车、工业传动等诸多关键领域。但IGBT功率模块长期工作在高电压、大电流、高频率的恶劣工作环境中，IGBT功率损耗和结温频繁变化容易加速功率模块疲劳老化，进而引起失效。IGBT模块失效中由热相关问题引起的占比达到60%。如何快速准确、便捷无损地测量IGBT功率模块结温，成为有效评估系统应用可靠性的关键技术问题。本文以IGBT功率模块为研究对象，建立用于无损在线测量IGBT模块结温的电热耦合模型，开发相应的结温测量系统，对结温测量技术在寿命预测方面的工程应用开展相关研究。　　首先，简要概述IGBT的基本结构组成和工作特性基本原理分析，剖析大功率IGBT模块堆叠封装结构和各层材料特性。具体概括并总结IGBT器件的各种常见的失效模式和失效原因，介绍结温波动引起焊接层疲劳和键合线脱落的主要失效模式，并从中得出影响IGBT器件可靠性和寿命的主要原因是温度的不断变化。　　其次，鉴于现有电热耦合模型所需变流器控制参数难于获取，且实时变化无法统一的缺点，本文改进优化了一种适用于工程应用的电热耦合模型。该模型不需要了解PWM控制策略参数，利用现场采集的电流、电压数据进行换流分析，计算IGBT模块的功率损耗；再利用采集到的IGBT模块壳温，根据IGBT的热传导路径和热特性，即可计算实时结温和结温波动量，具有很高的工程应用价值。　　再次，基于LabVIEW软件完成结温测量系统开发。使用IGBT功率模块组装三相逆变组件，并搭建模拟实际应用的硬件试验平台。经过和模块厂商所给出的结温仿真结果进行比较，验证了电热耦合模型和结温测量系统的准确性，为结温测量应用于寿命预测提供了数据基础。　　最后，阐述IGBT结温变化与器件使用寿命之间的联系。对比分析了多种解析寿命模型的优缺点，介绍用于应力载荷谱提取的二阶段雨流计数方法和相应的遍历逻辑，文中最后介绍了基于结温测量数据的IGBT模块寿命预测方法，简述各环节的具体实施步骤，进一步体现结温测量技术在寿命预测的工程应用价值。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 IGBT 结温测量方法研究现状

1.2.2 IGBT 失效模式研究现状

1.2.3 IGBT 寿命预测方法研究现状

1.3 主要研究工作

第 2 章 IGBT 模块工作原理和失效机理分析

2.1 IGBT 的结构和工作原理

2.1.1 IGBT 基本结构

2.1.2 IGBT 工作原理

2.1.3 IGBT 基本特性

2.2 IGBT功率模块封装结构

2.2.1 IGBT 功率模块结构原理

2.2.2 模块的堆叠结构

2.2.3 衬板的互连结构

2.3 IGBT模块失效机理分析

2.3.1 物理失效分析

2.3.2 电气失效分析

2.4 本章小结

第 3 章 电热耦合模型工程应用优化

3.1 传统电热耦合模型分析和改进优化

3.2 IGBT 模块功率损耗模型优化

3.2.1 IGBT 模块导通损耗建模

3.2.2 IGBT 模块开关损耗建模

3.3 IGBT模块热网络模型搭建

3.3.1 IGBT 模块传热过程

3.3.2 IGBT 模块热阻抗

3.3.3 热网络模型搭建

3.4 本章小结

第 4 章 IGBT 结温测量系统开发与验证

4.1 硬件试验系统设计

4.1.1 硬件拓扑结构

4.1.2 试验数据采集

4.2 结温测量系统软件开发

4.2.1 基于采样数据的结温计算流程

4.2.2 结温测量系统开发实现

4.3 系统测量结果验证

4.3.1 电模型参数验证

4.3.2 热模型参数验证

4.3.2 结温测量结果验证

4.4 本章小结

第 5 章 基于结温测量的 IGBT 模块寿命预测

5.1 解析寿命预测模型分析和选定

5.1.1 解析寿命预测模型分析

5.1.2 模型比较和模型选定

5.2 IGBT 结温曲线测量和雨流计数法处理

5.2.1 雨流计数法介绍

5.2.2 应用任务曲线确定

5.2.3 结温变化曲线提取

5.2.4 雨流计数法处理

5.3 基于结温数据的 IGBT 模块寿命预测

5.3.1 寿命预测模型标定

5.3.2 IGBT 模块使用寿命计算

5.4 本章小结

第 6 章 总结与展望

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

致谢