【摘 要】
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压接型IGBT（Press Pack Insulated Gate Bipolar Transistor）器件具有高功率密度、双面散热、失效短路等优点,适合柔性直流换流阀等大容量电力装备的应用工况。烧结封装可以提升压接型IGBT器件的散热能力,同时也会改变器件内部的电热应力分布规律,进而影响IGBT的可靠性,现有建模方法难以准确表征烧结对IGBT器件电热应力和疲劳失效的影响,研究烧结封装IGBT器
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2016YFB0901800）； 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目；
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压接型IGBT（Press Pack Insulated Gate Bipolar Transistor）器件具有高功率密度、双面散热、失效短路等优点,适合柔性直流换流阀等大容量电力装备的应用工况。烧结封装可以提升压接型IGBT器件的散热能力,同时也会改变器件内部的电热应力分布规律,进而影响IGBT的可靠性,现有建模方法难以准确表征烧结对IGBT器件电热应力和疲劳失效的影响,研究烧结封装IGBT器件的多物理场建模及失效分析对压接型IGBT器件可靠性评估和封装优化具有重要现实意义。论文以国产3.3k V/50A银烧结压接封装IGBT器件为例,开展电-热-力多物理场建模、疲劳失效寿命分析、加速老化实验和失效机理研究。论文主要研究内容包括:1.针对现有建模方法难以准确表征烧结封装对压接型IGBT器件内部电热应力影响的问题,基于器件实际结构尺寸和材料属性,考虑封装特点,利用随机分布函数模拟焊料空洞,建立3.3k V/50A银烧结压接封装IGBT器件的电-热-力多物理场模型,并利用实验平台验证模型的合理性。首先,分析稳态工况和瞬态工况下烧结封装IGBT器件的电热性能。其次,研究外部压力和导通电流变化对烧结IGBT器件内部电热应力的影响。最后,仿真模拟焊料空洞的老化失效过程,分析焊料疲劳对烧结封装IGBT器件电热特性和可靠性的影响。2.为了评估烧结封装对IGBT器件疲劳失效寿命的影响,提出基于修正应力应变疲劳方法来评估IGBT芯片的疲劳寿命。首先,利用IGBT器件的电-热-力多物理场模型进行功率循环仿真,模拟不同结温条件对IGBT器件的疲劳失效影响。其次,提取不同结温条件下IGBT芯片的应变疲劳参数和焊料层的蠕变疲劳参数。最后,计算烧结封装IGBT芯片的应变疲劳失效寿命和烧结焊料层的蠕变疲劳失效寿命,揭示烧结封装对IGBT器件疲劳失效寿命的影响。3.为了对比银烧结封装和全压接封装IGBT器件的长期可靠性差异,建立可靠性测试平台对国产3.3k V/50A单芯片压接型IGBT器件开展功率循环加速老化测试。首先,分析银烧结IGBT器件的老化实验结果。其次,研究烧结封装IGBT器件焊料层熔融的失效机理。最后,对比银烧结和全压接IGBT器件的实验结果差异,获取烧结封装IGBT器件相比全压接IGBT器件的性能优势和潜在缺陷。论文研究成果为高压大功率压接型IGBT器件的可靠性评估和测试奠定理论基础,也为其封装设计优化提供技术支撑。
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