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IGBT的可靠性分析及电路仿真模型研究

苏立昌  
【摘要】:伴随着科技的进步,电力电子技术的发展蒸蒸日上,其在电力系统领域中得到了广泛应用,这在一定程度上也促进了电力电子器件的开发与应用。绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为新型电力电子器件的代表,对实现节能减排,缓解我国能源长期供应不足的形势起着至关重要的作用,也因此受到了越来越多的人们青睐。然而IGBT模块在封装过程中,难免会在焊料层中产生空洞。空洞的存在严重地影响了模块的散热性能,致使芯片局部温度过高,从而降低IGBT模块的可靠性和使用寿命,甚至导致IGBT失效,因此研究焊层空洞对IGBT芯片温度的影响,对于提高IGBT的模块的可靠性和寿命具有十分重要的意义。本文针对焊料层中的空洞对IGBT芯片温度的影响展开了研究。根据IGBT模块的七层结构,构建了三维有限元模型,对比了芯片焊层空洞和衬底焊层空洞对芯片温度的影响,重点分析了芯片焊层中空洞类型、大小、形状、位置及数量等不同条件下IGBT模块的温度分布以及对IGBT可靠性的影响,为IGBT的模块封装提供了理论上得到指导和建议。IGBT的失效是一个极其复杂的过程,除了由芯片温度过高而引起IGBT模块失效外,还和开关过程中模块内部的电参数变化有关,因此我们需要建立一个精确的模型来研究电参数变化对其静态特性和动态特性的影响。本文采用半解析模型的方法,在IGBT等效电路的基础上,用电流源控制电压源来模拟IGBT内部的电导调制效应,建立了 IGBT的静态电路仿真模型。通过一维载流子双极输运方程对功率MOSFET和PNP晶体管进行参数提取,利用PSpice软件对参数的灵敏度进行分析,然后对其进行仿真分析并与厂商提供的数据手册进行对比,验证模型的有效性。在IGBT静态模型的基础上,充分考虑各个端口之间的寄生电容,利用二极管的势垒电容表征IGBT内部的非线性电容,建立了 IGBT动态电路仿真模型,并对其进行仿真分析,进一步验证模型的正确性。


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