基于溫度梯度及統(tǒng)計(jì)特性的IGBT模塊失效評估方法研究.pdf

1、隨著全球范圍內(nèi)新能源的快速發(fā)展，能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中功率器件的可靠性對電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的影響日益突出。深入研究功率器件可靠性測試和評估方法，對新能源電力設(shè)備及系統(tǒng)的安全評估具有重要意義。溫度特性是IGBT模塊產(chǎn)品設(shè)計(jì)和可靠性評估中的重要指標(biāo)，IGBT模塊在不同狀態(tài)下的溫度分布變化規(guī)律，常被用來判定其實(shí)際狀態(tài)。
　　根據(jù)矢量分析定義，一個(gè)標(biāo)量場的梯度場能更為直接的反映其變化規(guī)律。因此論文提出了采用溫度梯度及其統(tǒng)計(jì)特性的表征功率器件熱力學(xué)行

2、為的方法。以IGBT模塊的電-熱-機(jī)械應(yīng)力多物理耦合場模型為基礎(chǔ)，研究其不同運(yùn)行狀態(tài)下的溫度場及其梯度變化特性，提出了利用模塊溫度梯度及其統(tǒng)計(jì)特性來表征IGBT內(nèi)部失效信息的理論和方法，并建立了IGBT模塊的健康狀態(tài)評估模型。論文以多種典型的IGBT模塊為研究對象，搭建了相應(yīng)的試驗(yàn)平臺，利用三維有限元分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出模型和方法的準(zhǔn)確性和有效性。論文的創(chuàng)新性工作包括：
　　①建立了計(jì)及材料溫度敏感性和力學(xué)粘塑性的 IGBT

3、模塊的電-熱-機(jī)械應(yīng)力多物理場耦合模型，重點(diǎn)研究了多物理場模型的計(jì)算和散熱器等效方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。分析了IGBT模塊不同失效形式下的溫度分布規(guī)律，結(jié)合功率循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了缺陷造成的溫度集中和應(yīng)力集中現(xiàn)象，以及焊料層損傷累積過程。
　?、诟鶕?jù)IGBT溫度場云圖的溫度連續(xù)分布特性以及其統(tǒng)計(jì)特性，提出了采用溫度梯度及其統(tǒng)計(jì)特性表征IGBT模塊內(nèi)部熱力行為的方法。分別對不同運(yùn)行條件以及不同失效形式的 IGBT模塊的

4、溫度梯度以及溫度云圖的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，溫度梯度及其統(tǒng)計(jì)特性不僅能夠有效反映模塊熱特性的改變，而且能夠用于模塊內(nèi)部缺陷檢測。
　?、鄞罱薎GBT模塊溫度特性試驗(yàn)平臺，開展了不同運(yùn)行工況和老化條件下的IGBT模塊溫度梯度和溫度概率密度分布規(guī)律的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了論文所提出方法的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果表明與單一的溫度場分析內(nèi)部狀態(tài)的方法相比，該方法除了具有更高的靈敏度，還能夠有效表征器件整體溫度分布差異。此外，通過分析三相全

5、橋 IGBT模塊不同控制策略下的溫度梯度和溫度概率密度變化規(guī)律進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性和可擴(kuò)展性。
　　④研究了不同運(yùn)行工作點(diǎn)下IGBT模塊的溫度梯度和溫度概率密度分布規(guī)律，通過對不同運(yùn)行參數(shù)作用下的模塊溫度特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了導(dǎo)通電流I，開關(guān)頻率fsw和輸出頻率f等參數(shù)對IGBT模塊溫度特性的影響規(guī)律。
　　⑤建立了基于多特征參數(shù)的 IGBT模塊健康狀態(tài)綜合評估模型，并利用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模塊狀態(tài)的準(zhǔn)確評估。結(jié)果表明