IGBT半桥模块寄生电感的研究与优化

摘要

随着电力电子技术越来越广泛地应用于电力系统等高压大功率应用场合，电力电子变流装置在工作过程中所处理的电压与电流等级急剧上升，大功率变流器对半导体开关器件的功率等级要求越来越高。当单个器件不能满足应用的需求时，使用内部封装有两个或多个器件的功率模块是当前应对大电流高功率应用需求的一个重要方向。
　　绝缘栅双极型晶体管(IGBT,InsulatedGateBipolarTransistor)作为一种新型的全控型器件，具有许多优于其他电力电子器件的特性，IGBT功率模块广泛应用于电力电子变流装置中，其性能影响着变流装置的电磁特性、工作可靠性、体积等问题。因此，对IGBT功率模块的结构和特性进行研究非常有必要并且具有重要的意义，论文重点研究了IGBT半桥模块的寄生电感相关问题。
　　本文从分析一系列IGBT功率模块出发，研究了其基本特性，包括三维结构特性、热学特性及电气特性，并且利用有限元软件ANSYS对模块的热传递过程进行了仿真。然后，对IGBT半桥模块寄生电感的作用机理进行研究。针对寄生电感在实际应用中会引起芯片过电压及较大的关断损耗、电磁干扰等问题，设计了一种采用新型芯片布局方式的IGBT半桥模块结构，该设计考虑了半桥模块在电力电子电路中的工作方式与模块内部各元件的工作状态，将工作在同一换流回路中的各元件放置在一起，减小了模块内部换流通路的长度，从而减小其带来的寄生电感值。为了验证新设计的有效性，制作了具有相同封装尺寸的新型及传统型IGBT半桥模块，本文基本覆盖了IGBT半桥模块制作的全部流程。搭建了电感测试电路对制作完成的两种模块进行公平测试比较。实验结果表明，在模块和外部电路接口不变的情况下，新型模块的寄生电感比传统型减少了35％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 本课题的研究背景

1．3 本课题的意义及主要研究内容

1．3．1 本课题的意义

1．3．2 本研究的主要内容

第2章 IGBT功率模块封装特性研究

2．1 IGBT功率模块的三维结构特性

2．2 IGBT功率模块的热学特性

2．2．1 热特性分析

2．2．2 热特性仿真

2．3 IGBT功率模块的电气特性

2．3．1 IGBT的静态特性

2．3．2 IGBT的动态特性

第3章 低寄生电感IGBT半桥模块的研究

3．1 电感理论

3．1．1 电感的定义与电感电动势的产生

3．1．2 导体电感的计算与提取

3．2 IGBT半桥模块的寄生电感模型

3．3 低寄生电感IGBT半桥模块的结构设计

3．3．1 传统商用IGBT半桥模块的结构

3．3．2 IGBT半桥模块在电力电子电路中的工作机理

3．3．3 新型低寄生电感IGBT半桥模块的结构设计

第4章 新型IGBT半桥模块的制作与实验测试

4．1 新型低寄生电感IGBT半桥模块的制作

4．1．1 设计并制作双面覆铜板DBC

4．1．2 模块制作的第一次焊接

4．1．3 引出芯片电极键合线

4．1．4 模块制作的第二次焊接

4．1．5 灌注硅胶

4．2 电感测试与结果对比

4．3 低支架IGBT半桥模块的研究、制作与测试

第5章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢