【摘 要】
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压接型IGBT（Press-Pack Insulated Gate Bipolar Transistor:PP-IGBT）器件具有双面散热、大电流密度、失效短路等优点,能满足柔性直流输电换流阀装备用大功率器件的需求,已成为高压大容量柔性直流输电换流阀的首选。然而,不同于传统焊接型IGBT器件,压接型IGBT器件结构更为复杂,内部各层材料通过外部压力连接在一起,运行过程中不仅受到电、热应力的影响,还
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2016YFB0901800）； 国家重点研发计划项目“大容量电力电子装备关键部件性能的老化规律与可靠性评估方法”,2018YFB0905803； 国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金项目（U19966213）； 全球能源互联网研究院有限公司合作项
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压接型IGBT（Press-Pack Insulated Gate Bipolar Transistor:PP-IGBT）器件具有双面散热、大电流密度、失效短路等优点,能满足柔性直流输电换流阀装备用大功率器件的需求,已成为高压大容量柔性直流输电换流阀的首选。然而,不同于传统焊接型IGBT器件,压接型IGBT器件结构更为复杂,内部各层材料通过外部压力连接在一起,运行过程中不仅受到电、热应力的影响,还受到压力的影响,导致压接型IGBT器件失效模式和失效机理更为复杂。其中微动磨损和失效短路是压接型IGBT器件发生频率较高的两种失效模式,其失效过程和可靠性寿命关乎应用装备的安全和可靠性。而现有失效分析主要采用失效数据统计方法往往受限于测试样本数量,且失效机理大都仅在单一应力下开展研究,相应的可靠性寿命模型往往采用经典数学模型或焊接型IGBT器件寿命模型,难以直接应用于压接型IGBT器件,亟待开展基于失效物理分析方法,针对压接型IGBT器件失效机理分析、失效演化模拟和可靠性寿命建模的研究。本文针对压接型IGBT器件老化过程中性能参数难以提取、失效过程模拟困难、可靠性寿命模型复杂等问题和难点,基于实际3300 V/50 A压接型IGBT器件,深入研究压接型IGBT器件微动磨损失效和失效短路两种失效模式,建立压接型IGBT器件失效演化过程模拟模型,开展压接型IGBT器件失效过程模拟、可靠性寿命评估等方面研究,并通过相应的实验对结果进行验证。同时,基于换流阀的运行工况,对换流阀子模块用压接型IGBT器件故障率进行研究,提出计及压接型IGBT器件物理场失效模拟的换流阀子模块故障率分析方法。本文主要研究内容如下:（1）在压接型IGBT器件有限元建模方面,针对运行工况下压接型IGBT器件封装材料受温度的影响,提出了计及材料温度效应的压接型IGBT器件多物理场耦合有限元建模方法,修正了目前广泛使用仅考虑电场-热场-机械场耦合的压接型IGBT器件有限元模型。首先,分析压接型IGBT器件内封装材料导热系数、电导率的温度效应,提出计及材料属性随温度变化的有限元计算方法;其次,建立计及材料属性温度反馈与电场-热场-机械场耦合的压接型IGBT器件有限元模型,在运行工况下与现有压接型IGBT器件多物理场耦合模型进行性能对比;最后,建立压接型IGBT器件不同温度电流-电压测试平台和红外线温度测试平台,验证所建压接型IGBT器件多物理场模型的有效性。（2）在压接型IGBT器件微动磨损失效模拟方面,基于压接型IGBT器件微动磨损失效机理,提出了计及接触面材料磨损的压接型IGBT器件微动磨损失效模拟方法,攻克了现有压接型IGBT器件微动磨损失效分析难以获取接触面材料磨损规律与可靠性评估的难题。首先,提出压接型IGBT器件内各层材料微动磨损计算方法,分析不同工况对接触面磨损量的影响;其次,提出压接型IGBT器件微动磨损与热场-机械场耦合的计算与建模方法,揭示了压接型IGBT器件微动磨损失效过程中性能参数变化规律和失效原因,建立了计及压接型IGBT器件内各层材料微动磨疲劳的寿命模型;最后,搭建了压接型IGBT器件功率循环实验平台,验证了压接型IGBT器件微动磨损模拟的合理性和寿命模型的有效性。（3）在压接型IGBT器件失效短路模拟方面,基于铝、硅高温互融机理,提出了计及铝-硅互融渗透坑的压接型IGBT器件短路失效模拟方法,弥补了现有压接型IGBT器件失效短路测试难以获取内外部性能参数变化规律的不足。首先,基于分子动力学模拟了铝、硅在高温下互融机理,分析导致压接型IGBT器件失效短路的主要因素与发生部位;其次,计算不同失效度下铝-硅合金电导率变化规律,建立含铝-硅互融渗透坑的3300 V/50 A压接型IGBT器件失效短路有限元模拟模型,分析器件失效短路过程中内外部特性变化规律,提出压接型IGBT器件短路耐久可靠性寿命模型。最后,进行压接型IGBT器件短路冲击实验和短路耐久实验,验证压接型IGBT器件失效短路模拟和短路耐久寿命模型的有效性。（4）在换流阀子模块用压接型IGBT器件故障率评估方面,提出了计及压接型IGBT器件物理场失效模拟的换流阀子模块故障率评估方法,改进了现有换流阀子模块故障率分析功率器件采用恒故障率模型的方法。首先,建立柔性直流输电换流阀系统时域仿真模型,提取换流阀子模块内流过压接型IGBT器件的电流参数;其次,建立3300 V/800 A压接型IGBT器件多物理场耦合有限元仿真模型,仿真分析在整流、逆变工况下子模块用压接型IGBT器件的温度变化规律;最后,分析对比换流阀子模块用压接型IGBT器件物理场失效模拟方法与恒故障率模型方法的故障率差异,分析压接型IGBT器件短路耐久、水冷散热波动对换流阀子模块故障率的影响。本文研究成果为高压大功率压接型IGBT器件的失效演化模拟及可靠性评估奠定理论基础,也为柔性直流换流阀子模块用高压大功率压接型IGBT器件的可靠性分析提供技术支撑。
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