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igbt模块V-I特性曲线簇建模及其结温提取应用

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电气工程学报 2024年

作者：刘红涛王颢棋张晓康任林涛罗雨汪飞上海大学机电工程与自动化学院

绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,igbt)以其高效率、大容量和低成本等特点在新能源发电及储能、高压直流输电、电力牵引和电气化交通等领域应用非常广泛。然而一旦igbt模块发生故障，将打破相关装置和设备的正常... 详细信息

绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,igbt)以其高效率、大容量和低成本等特点在新能源发电及储能、高压直流输电、电力牵引和电气化交通等领域应用非常广泛。然而一旦igbt模块发生故障，将打破相关装置和设备的正常运行状态，引发一系列连锁事故，造成人员伤害和严重的经济损失。根据一项调查统计结果，光伏电站大约34%的可靠性问题是由igbt模块故障所引发的，因此，igbt模块可靠性问题愈发受到关注。相关研究成果表明，igbt模块的结温与模块可靠性问题之间存在密切的关系，如何能够快速准确地获取当前igbt模块的实时结温是igbt模块可靠性研究的关键。通过对igbt模块的V-I输出特性曲线进行深入分析和研究，提出一种表征igbt模块导通压降、结温和集电极电流关系的建模方法。利用该方法建立的表征模型可以方便快捷地提取igbt模块结温，并通过试验验证了基于该建模方法的igbt模块结温提取策略的有效性。除此之外，该建模方法考虑到了模块键合线老化的影响，并给出了相应的模型校正方法和结温提取策略。

关键词： igbt模块 V-I特性建模结温应用

用于igbt模块温度观测的3-D降阶混合型热模型

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电工技术学报 2024年第16期39卷 5104-5120页

作者：田野卜凯阳李楚杉李武华何湘宁浙江大学电气工程学院杭州310027 浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院海宁314400

igbt模块温度在线监测是提高大容量变流器可靠性的关键技术。在igbt模块在线温度监测方法中,热阻模型法可对igbt模块内部的温度分布进行估计,因而受到关注。结合了传感器数据的温度观测器可基于热阻模型,实时修正材料老化、参数温度依... 详细信息

igbt模块温度在线监测是提高大容量变流器可靠性的关键技术。在igbt模块在线温度监测方法中,热阻模型法可对igbt模块内部的温度分布进行估计,因而受到关注。结合了传感器数据的温度观测器可基于热阻模型,实时修正材料老化、参数温度依赖性和功率损耗计算误差等不确定因素对温度估计造成的影响。然而现有热模型无法同时兼顾系统可观性和建模准确性,且阶数相对较高,难以应用于温度观测器的在线运行。因此,该文提出了一种适用于风冷散热多芯片igbt模块3-D温度观测器,同时满足可观性、准确性和实时性要求的混合型降阶热模型。首先,分析了热阻模型的拓扑结构及其参数辨识的方法,并探究了模型的状态空间生成规律;然后,基于非线性优化算法对该模型的参数进行修正,以减小因计算流体力学(CFD)仿真模型参数与实际参数不一致所引入的热阻模型与实验物理对象间的误差;随后,使用平衡截断法对热阻模型降阶,相对于现有集总参数热阻模型,进一步提高了实时求解效率;最后,通过仿真和实验验证了所提模型的准确性。

关键词： igbt模块温度监测热网络模型温度观测器

低气压条件下igbt模块局部放电特性及机理研究

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电网技术 2024年第10期48卷 4406-4415,I0130页

作者：康永强王兆赟党露芝孟昱李帅兵兰州交通大学新能源与动力工程学院甘肃省兰州市730070

高海拔环境给绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)模块绝缘可靠性带来严峻挑战,为探究igbt模块在高海拔条件下的局部放电特性,搭建了低气压igbt局部放电检测平台,测量了其在交流工频电压下20~100 kPa气压范围... 详细信息

高海拔环境给绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)模块绝缘可靠性带来严峻挑战,为探究igbt模块在高海拔条件下的局部放电特性,搭建了低气压igbt局部放电检测平台,测量了其在交流工频电压下20~100 kPa气压范围内的局部放电起始电压(partial discharge inception voltage,PDIV)、熄灭电压(partial discharge extinction voltage,PDEV)、最大视在电荷量、平均电荷量、放电脉冲重复率以及局部放电相位分布谱图(phase resolved partial discharge,PRPD)等特征参量,结果表明:在70~100 kPa气压下,igbt模块局部放电现象不明显,60 kPa时出现明显的局部放电,放电位置主要集中在电压极性反转前后,并随着气压进一步下降,PRPD相位逐渐变宽,放电量及放电重复率明显升高。之后利用有限元分析方法对igbt模块截止时的场强分布进行了分析,发现igbt模块键合线引脚、硅胶和芯片交界处以及铜板、硅胶和陶瓷板交界处电场最为集中,且不同介质材料界面处存在大量微气隙通道,是外部气压变化向igbt模块内部传递的重要路径。微气隙通道中场强更为集中,且在低气压条件下微气隙通道内电子自由程更大,使得局部放电更加剧烈,不同极性电荷逐渐在微气隙通道电极和硅胶两侧聚集,在外加电压极性反转时与空间电荷场强叠加,导致局部放电异常剧烈。研究结果可为igbt模块在低气压条件下的绝缘设计及安全可靠运行提供参考。

关键词：低气压 igbt模块局部放电

热、振及热振耦合作用下igbt模块失效分析

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电子元件与材料 2024年第5期43卷 513-520页

作者：王浩洁马永翔朱娟娟何勉刘东静陕西理工大学电气工程学院陕西汉中723001 桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林541004

针对功率器件igbt模块在多场载荷作用下的焊层失效问题,设计并构建了igbt模型,基于有限元仿真软件对igbt模块进行热循环、随机振动以及热振耦合试验,并对三种载荷条件下失效位置的分布规律以及失效模式进行对比分析。结果表明,在热循环... 详细信息

针对功率器件igbt模块在多场载荷作用下的焊层失效问题,设计并构建了igbt模型,基于有限元仿真软件对igbt模块进行热循环、随机振动以及热振耦合试验,并对三种载荷条件下失效位置的分布规律以及失效模式进行对比分析。结果表明,在热循环载荷条件下,应力集中在DBC焊接层下表面中心位置,最大应力值为226.84 MPa;在随机振动载荷条件下,应力集中在DBC焊接层下表面周边边角位置,最大应力值约为0.0023 MPa;在热振耦合条件下,应力集中在DBC焊接层上表面靠近中心及周边边角位置,最大应力值为377 MPa。热振耦合条件下的焊料层力学行为表现有所变化。研究结果对多种不同载荷下功率器件igbt模块的响应特性分析提供参考,同时为模块结构的设计提供理论依据。

关键词： igbt模块热循环随机振动热振耦合失效分析

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基于热管技术的igbt模块风冷散热器设计

低温与超导 2024年第10期 70-75页

作者：傅航杰陈炜王博王雄吴智勇中车株洲电力机车研究所有限公司宁波市轨道交通集团有限公司

针对城轨某三电平igbt模块的散热问题，提出了复合基板-波纹翅散热器。运用数值模拟，对散热器的热性能进行了分析，并通过实验进行了验证。结果表明，复合基板-波纹翅散热器比常规基板散热器的热阻平均降低了24.8%,此外通过将弯曲热管... 详细信息

针对城轨某三电平igbt模块的散热问题，提出了复合基板-波纹翅散热器。运用数值模拟，对散热器的热性能进行了分析，并通过实验进行了验证。结果表明，复合基板-波纹翅散热器比常规基板散热器的热阻平均降低了24.8%,此外通过将弯曲热管嵌入基板，温度的不均匀度得到了明显的降低，降低约86.2%。复合基板-波纹翅散热器可以满足450 W模块的散热需求，温度不均匀度满足设计要求2 K。

关键词： igbt模块热管散热器热阻温度不均匀度

NPC三电平igbt模块驱动电路设计及动态特性测试

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电源学报 2024年第3期22卷 146-155页

作者：于浪浪李贺龙殷千辰韩亮亮合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥230009 中国电源学会

二极管中点钳位NPC(neutral point clamped)三电平逆变器具备较低的开关应力、谐波分量和较好的抗干扰能力,促使其成为光伏、储能等新能源领域DC-AC变换器的主要拓扑之一。针对大功率应用场景中普遍采用的NPC三电平igbt功率半导体模块... 详细信息

二极管中点钳位NPC(neutral point clamped)三电平逆变器具备较低的开关应力、谐波分量和较好的抗干扰能力,促使其成为光伏、储能等新能源领域DC-AC变换器的主要拓扑之一。针对大功率应用场景中普遍采用的NPC三电平igbt功率半导体模块开展研究,分析NPC三电平功率模块的换流回路,并据此给出对应换流回路的寄生参数精准仿真评估方法。依据换流回路寄生参数最小原则,设计适用于NPC三电平功率半导体模块的动态特性测试电路。根据换流回路以及电路工作原理,设计NPC三电平功率模块的驱动电路,并给出增强驱动电流、防直通及死区时间可调的驱动方案。最后,通过对NPC三电平igbt模块的动态测试,详细评估了不同工况下功率器件的动态损耗。

关键词： igbt模块双脉冲测试门极驱动

基于Fluent的igbt模块散热器的优化设计

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半导体技术 2024年第8期49卷 767-772页

作者：乔瑞峰周淑霞李洋陆海程张腾周玺凯孔朋山东交通学院船舶与港口工程学院山东威海264209 中国石油大学(北京)克拉玛依校区工学院新疆克拉玛依834000

随着新能源电动汽车功率控制器中的igbt模块向着微型化、集成化方向发展,功率密度增大会导致芯片发热量大幅度增加,降低模块的可靠性。优化英飞凌igbt模块的散热器结构,以提高散热器的散热性能。设计开口角度为63.256°供冷却液流通的... 详细信息

随着新能源电动汽车功率控制器中的igbt模块向着微型化、集成化方向发展,功率密度增大会导致芯片发热量大幅度增加,降低模块的可靠性。优化英飞凌igbt模块的散热器结构,以提高散热器的散热性能。设计开口角度为63.256°供冷却液流通的进口和出口,在散热器前、中、后位置设计直径为4~5.5 mm、叉分式排布的扰流柱。利用ANSYS仿真软件,通过计算流体动力学(CFD)的流固耦合传热计算模型进行仿真分析。仿真结果表明,采用新型叉分式结构散热器的igbt模块的最高温度为85.10℃,最低温度为65.28℃,平均温度为78.81℃,均低于传统均分式结构散热器模块。搭建实验平台对igbt模块散热器的散热性能进行检测,实验结果表明新型叉分式结构散热器散热效果良好,有助于提升igbt模块的可靠性。

关键词：功率控制器 igbt模块散热器散热性能流固耦合 Fluent软件

大功率igbt模块散热结构传热特性的数值分析

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电机技术 2024年第3期 38-42页

作者：李钢刘双华王运坤中车株洲电机有限公司 412000

为了解大功率绝缘栅双极晶体管(igbt)模块散热结构的影响因素,文章以某高压变频器功率单元作为研究对象,通过数值分析方法,对比不同扰流柱形状、不同排布方式以及不同冷却工质对散热器传热性能的影响。结果表明:在圆形、水滴形、菱形、... 详细信息

为了解大功率绝缘栅双极晶体管(igbt)模块散热结构的影响因素,文章以某高压变频器功率单元作为研究对象,通过数值分析方法,对比不同扰流柱形状、不同排布方式以及不同冷却工质对散热器传热性能的影响。结果表明:在圆形、水滴形、菱形、四边形以及六边形扰流柱中,六边形和四边形扰流柱换热能力最强;增加扰流柱密度和数量可提高散热器的换热性能,当扰流柱横向节距比等于2,纵向节距比等于1时,散热器的综合性能最优;散热器的换热性能随水溶液中乙二醇浓度增大而逐渐降低。

关键词： igbt模块水冷对流换热数值模拟

大功率光伏逆变器igbt模块的散热分析和优化设计

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电子器件 2024年第2期47卷 307-313页

作者：陈云张银江丙云潘琦万帮数字能源股份有限公司江苏常州213164 国创移动能源创新中心(江苏)有限公司江苏常州213166 浙江大学机械工程学院浙江杭州310027

针对光伏逆变器小型化、轻量化、高功率化发展带来的散热设计难题,设计了一种有效的强制风冷散热优化方案。首选,通过风量计算选定了合适风机;其次,使用代价函数对散热器质量和散热效果进行了双目标优化;最后,通过响应面优化得到了最优... 详细信息

针对光伏逆变器小型化、轻量化、高功率化发展带来的散热设计难题,设计了一种有效的强制风冷散热优化方案。首选,通过风量计算选定了合适风机;其次,使用代价函数对散热器质量和散热效果进行了双目标优化;最后,通过响应面优化得到了最优散热设计方案。结果表明:散热器温度和igbt芯片结温均远低于标准要求,且保留裕量10℃以上。该结果为类似逆变器产品的散热优化设计提供了思路和参考。

关键词：光伏逆变器 igbt模块散热设计代价函数响应面优化