基于多维数据模型的IGBT功率模块键合线在线健康监测研究

摘要

现如今，IGBT功率模块广泛应用在光伏发电、风力发电等领域。随着功率模块应用环境的愈加恶劣，功率模块可靠性已经成为影响系统安全性的重要因素。在功率模块长期运行中，键合线失效和焊料层失效是两类基本失效模式。本文以功率模块键合线失效为研究内容并基于饱和压降监测法进行理论分析与实验探究。理论上，当功率模块键合线失效时，功率模块饱和压降UCE随之增大。因此，通常将UCE作为监测键合线失效的特征量。
　　本篇论文首先从功率模块的物理结构入手，从本质上分析功率模块失效的原因并证明物理材料的热膨胀系数是影响功率模块可靠性的关键因素。其次，从健康监测数据的角度，本文分析了传统的基于二维数据模型的键合线健康监测方法。该方法建立饱和压降和结温的二维曲线并根据二维曲线是否上移来判断功率模块键合线的健康状态，从而实现健康监测。这种基于二维数据模型的监测方法在实际应用中需要提供额定值较大的电流源，因而无法实现功率模块的在线监测。为了克服这一缺点，本文增加集电极电流这一变量并提出三维数据模型，从而满足在线监测所需的条件。为了验证其在线监测的可行性，本文搭建15KW三电平NPC光伏逆变器实验平台进行实验论证。实验结果显示，基于三维数据模型的监测方法建立饱和压降、结温和集电极电流的三维曲面并根据三维曲面是否上移来判断功率模块键合线的健康状态，从而实现在线健康监测并证明该监测方法具有较高的可行性。为了尽可能地减小在线监测过程对逆变器运行的影响，本文通过MATLAB仿真分析寻找最佳监测时刻和最佳监测时长，实现在线监测效益最大化。
　　另外，本文研究了功率模块不同工作状态对诊断特征量参数的影响，并从寄生参数以及负载变化的角度建立多维功率模块数据模型进行可靠性分析，这为未来功率器件可靠性研究开辟了新的研究视角。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 变流器故障监测现状

1．3 IGBT功率模块健康监测研究现状

1．4 本文的重点研究工作

第二章 IGBT功率模块物理特性与可靠性

2．1 引言

2．2 IGBT功率模块物理特性及失效机理

2．2．1 IGBT功率模块物理结构

2．2．2 IGBT芯片的外特性

2．2．3 IGBT功率模块键合线失效影响

2．3．1 IGBT功率模块可靠性影响因素分析

2．3．2 IGBT功率模块结温提取方法

第三章 基于三维数据模型的IGBT键合线健康监测方法

3．1 引言

3．2 传统的基于二维数据模型的键合线离线监测

3．2．1 建立二维数据模型

3．2．2 基于二维数据建模的离线监测电路

3．2．3 基于二维数据建模的时序波形图

3．3 基于三维数据模型的键合线离线监测

3．3．1 建立三维数据模型

3．3．2 基于三维数据建模的离线监测电路

3．3．3 基于三维数据建模的时序波形图

第四章 基于多维数据模型的IGBT键合线在线监测方法

4．1 引言

4．2．1 NPC型三电平逆变器运行机理

4．2．2 NPC型三电平逆变器在线监测可行性分析

4．3．1 基于三维数据建模的在线监测电路

4．3．2 基于三维数据建模的时序波形图

4．3．3 IGBT功率模块键合线在线监测控制策略

4．4 不同工作状态对特征量提取参数的影响分析

第五章 IGBT键合线在线健康监测系统设计

5．1 引言

5．2 在线健康监测系统控制框图

5．3 在线健康监测系统硬件设计

5．3．1 控制系统硬件设计

5．3．2 监测系统硬件设计

5．3．3 数据显示系统硬件设计

5．4．1 控制系统DSP软件设计

5．4．2 监测系统DSP软件设计

5．4．3 数据显示系统软件设计

第六章 实验结果与仿真

6．1 实验结果分析

6．1．1 UCE(1)与Tj关系曲线的离校校准

6．1．2 IGBT功率模块离线监测实验

6．1．3 IGBT功率模块在线监测实验

6．1．4 IGBT工作状态对其健康监测的影响

6．2 仿真

6．2．1 在线监测时序控制策略

6．2．2 仿真模块的搭建

6．2．3 仿真结果

6．2．4 仿真总结

第七章 结论与展望

7．1 全文工作总结

7．2 后续工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况