【摘 要】
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绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）模块作为高压大功率变流器中的关键器件,其可靠性对变流器至关重要。实际应用中,IGBT模块承载着复杂的电-热循环应力,导致功率模块不断疲劳累积损伤,造成模块老化失效。因此,为了减少因IGBT模块疲劳失效造成的损失,研究IGBT模块失效机理,评估模块健康状态,利用不同寿命模型综合预估模块的剩余寿命,对变流
【基金项目】
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国家自然科学基金（51477040）; 河北省自然科学基金重点项目（E2017202284）; 河北省自然科学基金面上项目（E2019202481）
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绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）模块作为高压大功率变流器中的关键器件,其可靠性对变流器至关重要。实际应用中,IGBT模块承载着复杂的电-热循环应力,导致功率模块不断疲劳累积损伤,造成模块老化失效。因此,为了减少因IGBT模块疲劳失效造成的损失,研究IGBT模块失效机理,评估模块健康状态,利用不同寿命模型综合预估模块的剩余寿命,对变流器中IGBT模块的运行维护具有重要的理论和实用价值。本文的主要研究内容如下:基于理论分析和有限元建模仿真,研究IGBT模块封装失效机理。通过建立IGBT模块电-热-力多物理场耦合模型,开展焊料层和键合线相关失效机理研究,进而分析模块热疲劳失效的主要影响因素;定量分析焊料层空洞的大小、位置以及分布对结温和应力分布的影响规律,进而探索焊料层空洞融合生长的动态模型;研究键合线脱落和断裂的失效过程及其失效机理,进而定量仿真分析键合线裂纹和脱落演化对IGBT模块温度、应力的影响规律;基于有限元分析探索IGBT模块封装失效的演化过程,探究表征模块健康状态的特征参数。开展IGBT模块状态监测与评估方法研究,并进行相关实验验证。研究IGBT模块端口电特性,从物理机理角度分析饱和压降及其温敏特性,探索建立基于饱和压降的结温监测模型;研究IGBT模块热特性、模块瞬态热阻抗及热网络模型参数获取方法与实验验证方法,以及利用热阻参数对焊料层老化程度评估的方法;研究IGBT模块封装老化对电-热特征参数的影响和循环老化实验验证。以光伏系统为背景,研究IGBT模块的剩余寿命预测方法。结合某地区实际光照强度和气温数据,研究光伏工况下IGBT模块结温计算模型和方法。进而研究工况下基于失效机理的芯片焊料层损伤累积寿命预测方法;以及研究工况下基于解析模型的IGBT模块损伤累积寿命预测方法。最后,通过案例分析及结果对比,验证本文寿命模型的有效性。
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