基于电热分布特性的多芯片并联压接式IGBT健康状态评估方法研究

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压接式IGBT(Press Pack IGBT,PPI)由于其结构紧凑、失效短路、可靠性高及功率密度大等优点,被广泛用于柔性直流输电换流阀,是柔性直流输电装备中的关键部件。压接式IGBT由多个子模块并联组成,具有内部空间结构复杂、多物理场耦合明显、多时间尺度等特点,由于目前器件可靠性研究通常采用器件整体热阻、基于端部参数计算的平均结温和导通电压表征器件老化状态,难以准确描述内部应力分布与老化状态的耦合关系。
  围绕该问题本文对器件内部温度、压力分布耦合作用下的电流分布特性展开研究,基于电、热、力耦合机理建立多芯片并联器件内部电流分布计算模型,并基于构建的电流计算模型提出了适用于多芯片并联压接式IGBT器件的状态评估模型。本论文的主要内容包括以下几个方面:
  ①分析了导致多芯片并联压接式IGBT内部不均流的机理,搭建了适用于测量不同温度差异、不同压力差异条件下电流分布情况的实验平台,为探究不同温度分布、不同压力分布下的电流分布特性做准备。通过测量、比较不同芯片的静态特性及动态特性,筛选出用于后续实验的IGBT芯片。
  ②首先,针对温度分布不均导致的并联不均流,通过实验分析了两个并联器件间的不均流程度随温度差异的变化趋势,发现了不均流程度与温度差异间的近似线性关系。其次,分析了不同压力情况下的不均流特性,发现当压力参照固定时,不均流程度随压力差异增大而加剧。最后,分析了温度和压力耦合作用下的不均流特性,发现不同压力分布下不均流程度均随温度差的增大而加升。
  ③为了获取不同老化情况下的温度分布特性及电流分布特性,为后文状态评估模型提供基础,根据多芯片并联压接式IGBT器件的实际构造搭建了3300V/1500A压接式IGBT的多物理场仿真模型,并验证了所构建模型的有效性,为分析不同老化情况下的电、热参数分布特性提供工具。
  ④分别构建了基于温度分布的电流分布计算模型和基于压力分布的电流分布计算模型。其次,结合构建的单因素作用模型,建立了温度、压力耦合作用的电流分布计算模型,并验证了模型的有效性。最后,采用多物理场耦合模型分析了器件不同老化程度下电、热参数的变化规律,甄选了能表征器件健康状态的特征参量组合,基于电、热分布特性提出了适用于多芯片并联压接式IGBT的健康状态评估模型。
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