高压大功率压接式IGBT等效热路模型及结温预测研究

摘要

基于绝缘栅双极型晶体管IGBT的电压源换流器已在直流输电中得到广泛应用。相对传统焊接IGBT，压接型IGBT模块由于其双面散热、短路失效、高可靠性等优良特性，对更大容量的柔直换流器有着良好的应用前景。但多芯片紧凑布置及双面散热使压接式IGBT的芯片热耦合及散热器影响更为突出，为避免模块内芯片热失效威胁直流输电系统安全可靠地运行，研究适用于压接IGBT换流阀的可反映模块内部热分布的等效热路网络模型，进而与电气系统实现快速电热联合仿真以预测芯片结温十分必要。
　　首先研究了柔性直流换流阀普遍适用的阀内电-热-流体多物理场及其复杂模型的解耦方法，使换流阀的结温、损耗预测模型可简化为:以模块散热器流体条件为输入、各个IGBT模块-散热器子单元的电-热联合模型独立仿真的问题。可较为显著的减小换流阀等效热路模型的建模及仿真规模。
　　然后对周期子单元考虑水冷散热及芯片间热耦合的对芯片结温分布的影响，基于对子单元数值模型的热场分析，提出一种考虑芯片间热耦合作用、包含散热器的稳态、暂态等效热路模型及其参数提取方法。该稳态热阻模型参数可随不同工况、散热器流量进行修正，在不同工况、散热器流量下快速、准确得到模块内各芯片结温分布;暂态热路模型及暂态结温数学预测模型各具特点，均可准确反映暂态工况下结温的波动。
　　此外，基于热耦合度量化参数对影响压接IGBT内部芯片间热耦合的主要因素进行研究，可为下一步改进等效热RC网络模型、及IGBT功率模块、散热器的优化设计提供相关依据。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电-热联合仿真

1．2．2 IGBT模块结温预测

1．2．3 本文主要工作

第2章 电压源换流器多物理场耦合分析及其解耦方法

2．1 换流器多物理场耦合分析

2．1．1 电压源换流器电气拓扑及散热设计

2．1．2 电-热-流体多物理场耦合分析

2．2 换流器水路系统分析

2．2．1 模块散热器流场数值仿真与端口特性

2．3 换流器热模型分析及解耦

2．3．1 换流器散热系统热分析

2．3．2 换流器散热系统IGBT子单元解耦

2．3．3 电压源换流器电热联合仿真模型

2．4 本章小结

第3章 高压大功率压接IGBT子单元热场仿真及分析

3．1 压接式IGBT子单元热场数值模型

3．1．1 子单元物理结构

3．1．2 子单元数值模型

3．2 压接式IGBT子单元热场仿真及分析

3．2．1 子单元热场仿真

3．2．2 有效性验证

3．2．3 水冷散热及芯片间热耦合影响分析

3．4 本章小结

第4章 高压大功率压接式IGBT子单元稳态等效热路模型及结温预测

4．1 压接式IGBT子单元等效热路模型

4．2 压接式IGBT子单元稳态等效热路模型

4．2．1 定流量等效热阻矩阵

4．2．2 变流量等效热阻矩阵

4．2．3 等效热阻网络模型

4．2．4 模型有效性验证

4．3 IGBT模块稳态结温预测及热耦合影响因素分析

4．3．1 系统不同运行工况下结温预测及热耦合分析

4．3．2 不同散热器流量下结温预测及热耦合分析

4．3 本章小结

第5章 高压大功率压接IGBT模块暂态结温预测模型

5．1 压接式IGBT子单元暂态等效热路模型

5．1．1 数值仿真及暂态热阻抗曲线提取

5．1．2 等效热路模型及其参数提取方法

5．2 压接式IGBT模块芯片暂态结温数学预测模型

5．2．1 时域递归卷积算法

5．2．2 暂态结温数学预测模型

5．3 工程应用实例

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研经历

致谢