高压大电流IGBT模块内部多物理场分析与拓扑优化研究

The optimization of IGBT module internal topology make special significance to enhancing the efficiency of heat dissipation, reducing the parasitic parameters, increasing power density, designing special IGBT module to meet the transient high voltage or high current applications. Aiming at the internal packaging material's selection and topology optimization's problems of the high voltage high current IGBT module, the project will present is to give a scheme of the selection of IGBT internal package material and the design of IGBT internal topology to realize equalization voltage, equalization current, high efficiency heat dissipation and special applications, by measuring and testing instruments, based on static and dynamic model of the IGBT chip and FRD chip, which affected by temperature, relied on the circuit model of considering circuit stray parameters and the multi-physics analysis methods of electric, magnetic, thermal, established an internal IGBT coupling module of voltage, current and temperature field, researched the parameters of different material properties and the influence of topology of the device to internal voltage, current, and thermal dissipation efficiency , and combined with the sensitivity analysis of the package material properties and geometric layout. In order to provide theoretical support and technical guidance for the IGBT module's internal structure optimization design.

高压大电流IGBT模块内部拓扑的优化设计对高效散热、减小寄生参数、提高功率密度、设计适应瞬时高压或大电流等特殊应用的专用IGBT模块具有重要意义。本项目针对高压大电流IGBT模块内部封装材料选择和拓扑优化问题，借助于测量和试验手段，以考虑温度影响的IGBT晶片和FRD晶片动静态模型为基础，依托考虑杂散参数的电路建模与电、磁、热多物理场分析方法，建立IGBT模块内部电压、电流和温度场的耦合模型，并研究不同材料特性参数和拓扑结构对器件内部电压、电流均衡和散热效率的影响规律，结合封装材料特性与几何布置等的灵敏度分析，提出实现均压、均流和高效散热且具有应用针对性的IGBT模块内封装材料选择与拓扑结构设计方案。以期为IGBT模块内部的结构优化设计提供理论支撑和技术指导。

项目按照研究计划和研究内容进行,完成了预期目标。.研究采用理论分析、数值计算和实验测试相结合的方法，取得的成果有:.1、定义了多导体段模型的电感，提出了电感参数的计算方法，能够准确反映电流与空间磁场能量之间的关系，推导了多种情况下多导体段的电感参数的近似计算公式。.2、建立了压接型IGBT器件内部凸台寄生低电感的等效电路模型，分析了凸台布局不对称性对多个IGBT芯片并联瞬态电流分布特性的影响，并揭示了凸台寄生电感的影响规律。提出了封装结构的优化方法，为大功率压接型IGBT器件的研制提供了基础。.3、提出了适用于压接型IGBT器件内部接触热阻的准确测量方法，提出了适用于压接型IGBT器件结到壳热阻的准确测量方法.4、建立了压接型IGBT器件封装内部电-热-力多物理场直接双向耦合模型，建立了压接型IGBT器件封装内部电-热-力多物理场场路耦合模型.5、提出了一种双层PCB板的优化封装方法，该方法将凸台寄生电感排除在驱动回路以外，从而避免了电流变化过程中，凸台寄生电感对驱动电压的影响，提高了并联IGBT芯片开通瞬态电流的一致性。.通过研究，培养博士3名、硕士6名，发表SCI收录论文6篇、EI收录论文6篇，申请国家发明专利3项。