压接型IGBT器件内部电-热-力多物理场耦合模型研究

摘要

柔性直流输电技术的快速发展对其核心装备中电力电子器件的容量和可靠性提出了严苛的要求，尤其是模块化多电平换流阀和高压直流断路器。压接型IGBT器件相比于传统焊接式IGBT模块具有双面散热、易于串联、功率密度大和失效短路工作模式等优点，非常适用于电力系统等高压大功率应用场合。而压接型IGBT器件封装内部是一个集电磁场、温度场和结构场相互耦合的复杂多物理场环境，目前对其内部各物理量的变化规律把握不清成为限制器件功率等级和可靠性提高的瓶颈之一。
　　本文针对压接型IGBT器件封装过程中存在的科学问题和关键技术难点，深入研究压接型IGBT器件封装内部电流场、温度场和结构场间的多物理直接双向耦合关系、耦合计算方法和实验测量手段，建立能够真实反映器件内部各物理量分布规律的电-热-力多物理场直接双向耦合模型，探究器件内部各物理量间的耦合机理。结合压接型IGBT器件内部物理场的特点，先从单个物理场以及物理间的耦合关系入手，建立准确的单个物理场有限元分析模型，并通过相应的实验手段进行验证和优化。同时，对物理场间的耦合变量进行了全面深入研究，根据具体的应用需求，提出不同的耦合计算方法，分别建立了电-热-力多物理场三维耦合模型和场路耦合模型。
　　有限元分析模型方面，分别建立了压接型IGBT器件封装内部准确的结构场分析模型和结构场与温度场间耦合变量的分析模型，对其内部的机理和变化规律进行了深入全面研究，并通过了相应的实验验证和优化。基于上述有限元分析模型，进一步地建立了单个子模组内部多物理场耦合模型，为建立压接型IGBT器件内部电-热-力多物理场耦合模型奠定基础。结合不同的应用需求，提出了两种耦合计算方法，探究了子模组内部各物理量的变化规律和耦合机理。
　　实验测量手段方面，为了验证压接型IGBT器件多物理场耦合模型中耦合变量分析模型的有效性，提出了一种用于直接准确测量压接型IGBT器件封装内部各组件间接触热阻的结构函数法，克服了压接型IGBT器件因封装形式和应用工况的特殊性而带来的测量局限性，揭示了器件内部各组件间接触热阻的变化机理。为了验证单个子模组多物理场耦合模型的正确性，提出并验证了一种适用于压接型IGBT器件结到壳热阻的准确测试方法-瞬态双界面法，克服了因外部机械压力使得热电偶法无法放置热电偶的测量局限性，进一步消除了因热电偶测量而带来的误差，提高了测量精度和重复性，填补了压接型IGBT器件结到壳热阻测试方法的空白。
　　多物理场求解方法方面，结合应用于柔性直流输电系统中换流阀和直流断路器用压接型IGBT器件的差异，分别建立了压接型IGBT器件封装内部电-热-力多物理场三维耦合模型和场路耦合模型，深入研究了两种不同应用工况下器件内部各物理量间的耦合机理和变化规律。研究结果表明，应用于换流阀中的压接型IGBT器件内部各物理量间的耦合关系非常强，器件内部多芯片间某个物理量的不均衡，会很大程度上影响其他物理量的分布均衡性，尤其是器件内部的压力分布。而应用于直流断路器中的压接型IGBT器件内部各物理量间的耦合关系要弱得多，同时器件内部多芯片间各物理量分布也相对比较均匀，比如各芯片的结温分布。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 IGBT封装形式

1．2．2 IGBT多物理场耦合模型研究

1．2．3 小结

1．3 本文的主要研究内容

2．1 引言

2．2 结构场模型的建立

2．2．1 结构力学理论

2．2．2 器件的应用工况

2．2．3 结构场有限元分析模型

2．2．4 各因素对压力分布的影响

2．3 实验验证

2．4 本章小结

第3章 压接型IGBT器件结构场与温度场的耦合

3．1 引言

3．2 数学描述

3．2．1 微接触热导

3．2．2 空隙接触热导

3．3 接触热阻的数值计算

3．3．1 有限元模型

3．3．2 结果分析

3．4 接触热阻的实验测量

3．4．1 间接热电偶法

3．4．2 结构函数法

3．5 本章小结

第4章 单个子模组多物理场耦合模型

4．1 引言

4．2 电热耦合分析模型

4．2．1 功率损耗模型

4．2．2 Cauer热网络模型

4．3 电-热-力多物理场直接双向耦合分析模型

4．3．1 电-热-力多物理场场路耦合模型

4．3．2 电-热-力多物理场三维耦合模型

4．4 实验验证

4．4．1 热电偶法

4．4．2 瞬态双界面法

4．5 本章小结

第5章 压接型IGBT器件多物理场三维耦合模型

5．1 引言

5．2 电-热-力多物理场三维耦合模型

5．2．1 耦合变量

5．2．2 边界条件

5．3 器件内部多物理量的分析

5．3．1 有限元结果分析

5．3．2 压力分布测试

5．3．3 优化方案

5．4 本章小结

第6章 压接型IGBT器件多物理场场路耦合模型

6．1 引言

6．2 建模方法

6．2．1 应用工况

6．2．2 建模思路

6．3 电-热-力多物理场场路耦合模型

6．3．1 一维电热耦合电路模型

6．3．2 电-热-力多物理场场路耦合模型

6．4 有限元结果分析

6．4．1 常规工况

6．4．2 极端工况

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介