功率器件状态监测关键问题的研究

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1、功率器件状态监测的关键问题研究ResearchonKeyIssuesaboutConditionMonitoringforPowerSemiconductorDevice一级学科：控制科学与工程学科专业：控制理论与控制工程研究生：杜明星指导教师：魏克新教授天津大学电气与自动化工程学院二零一二年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书

2、而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要随着电力电子系统

3、在各个领域的大范围应用，其对提高能源利用率、开发和利用新能源具有重要的推动作用，故其对整个国家经济和社会发展的重要性日益增大。然而，电力电子系统的在各领域的大范围应用也带来了相应的问题和后果，如果电力电子系统一旦出现故障，产生的损失将会难以估量。相关研究表明，功率器件是影响电力电子系统可靠性的最主要部分之一，故为了改善电力电子系统的整体可靠性，开展功率器件可靠性的研究是必然的趋势。目前，状态监测技术是提高功率器件可靠性的最有效的手段和方法。针对电力电子系统中功率器件的健康状态监测问题，本论文主要从功率器件

4、的热性能监测、功率器件的半导体物理建模、功率器件内部键接线脱落失效三个大方面开展研究，其具体内容如下：1.随着电力电子系统的集成度越来越高，系统内功率半导体器件的散热问题成为了限制其可靠性的重要因素。本论文以IGBT模块为例，在掌握其内部结构的几何尺寸、材料特性、热参数的基础上，构建了基于集总参数的IGBT模块热网络模型。针对该模型提出了两种模型参数的提取策略：第一种是基于IGBT模块的数值模型的参数提取方法。第二种是基于导热反问题方法的IGBT模块内部结构非稳态导热计算的参数提取策略。仿真和实验结果证明

5、上述建模方法和参数提取策略具有较高的精度。2.针对IGBT模块的缓变型故障，本论文提出了基于ARMA的IGBT模块温度预测方法。通过仿真计算和实验测试验证了此方法的正确性和可行性。该预测方法可以与已经建立集总参数的热网络温度计算模型相结合，预测IGBT模块各层的温度值。3.在功率器件的状态监测方案中，为了获取IGBT模块实时的健康工作性能参数，本论文构建IGBT芯片的半导体物理模型，该模型考虑了IGBT芯片宽基区载流子的不同注入条件。此外，本论文还给出了物理模型参数的提取方法。通过与Hefner模型的计算

6、结果和实验数据比较，证明了本论文所构建的IGBT芯片的物理模型的正确性。4.在IGBT模块的内部结构中，键接线是其最为脆弱的部分之一。考虑到电力电子系统的快速性，系统内的功率半导体器件的状态监测的速度亦应较快，故采用监测IGBT模块外部可测的电学特性来间接监测键接线脱落故障是比较妥当的处理措施。因此，本论文首先研究了键接线脱落故障对IGBT模块极间电容、寄生电感、等效电阻的影响；其次，研究了极间电容、寄生电感对IGBT模块外部可测电信号的影响；最后，通过IGBT模块输出的电学性能参数，分析键接线脱落失效的

7、程度。实验测取的结果证明了理论分析的正确性。关键词：状态监测，绝缘栅双极晶体管，热模型，结温，物理模型，键接线ABSTRACTWithpowerelectronicsystemsinvariousareasofapplicationrange,theyhaveplayaprincipalroleinmaximizingenergyefficiency,developingandutilizingnewandrenewablesourcesofenergy.So,powerelectronicssystem

8、sbecomegrowingimportanceforeconomicandsocialdevelopmentofdifferentcountries.However,thewideruseofpowerelectronicsystemsalsoresultsinsomecorrespondingproblemsandconsequences,namelyincalculablelossescausedbythefaultsi