复杂工况下功率半导体器件多时间尺度热行为研究

The reliability research for the power electronics system with complex mission profiles is now moving towards the approaches based on failure mechanisms. The proper translation from mission profiles and converter design to the thermal behaviors of power semiconductor devices, is essential for understanding the thermal stress or overheat symptoms of power devices, thus for enhancing the reliability performance of converters. .This project proposal focuses on the modelling, analysis and re-shaping for thermal behaviors in power semiconductor devices. This research is a foundation of reliability evaluation and enhancement of power electronics system. The applicants will try to explore the new models, disturbing mechanisms, active controls and experimental methods that are related to the thermal stress of power devices. The complex mission profiles of converter, and multi-timescale characteristics will be also taken into account. The content of this proposal is composed of: 1) Frequency-domain thermal impedance modelling of IGBT modules including the heat sink. 2)The mathematical correlation between the mission profiles of converter and thermal behaviors of power device. 3) The feasible solutions, design methods, and effects of active thermal control of power electronics converter. 4) Building the new experiment platforms for the analysis of thermal behaviors in power semiconductor devices.

面向电力电子系统的可靠性研究，目前正逐步转向基于故障机理的分析方法。如何将变流器的运行工况与设计参数，准确地翻译为功率半导体器件的动态热行为，是理解器件热应力及过温机理，从而提高变流器系统可靠性的重要研究基础。.本申请项目将聚焦功率半导体器件动态热行为的建模、分析与应用；将从多时间尺度角度出发，与变流器复杂工况相结合，探索和功率器件热应力相关的新型模型，扰动机理，主动控制，实验方法等基础研究问题，从而奠定电力电子系统可靠性评估及改进的理论基础。具体研究内容包括1）包含散热器及多芯片特性的功率半导体器件频域热阻抗建模。2）建立变流器多时间尺度运行工况与功率半导体器件热行为之间的数学联系。3）探索变流器主动热应力控制的可行方案、设计方法以及控制效果。 4）搭建适用于电力电子器件热行为研究的新型实验平台。

如何将变流器的运行工况与设计参数，准确地翻译为功率半导体器件的动态热行为，是理解器件热应力及过温机理，从而提高变流器系统可靠性的重要研究基础。本项目将聚焦功率半导体器件动态热行为的建模、分析与应用；将从多时间尺度角度出发，与变流器复杂工况相结合，探索和功率器件热应力相关的新型模型，扰动机理，主动控制，实验方法等基础研究问题。具体研究内容包括1）包含散热器及多芯片特性的功率半导体器件频域热阻抗建模。2）建立变流器多时间尺度运行工况与功率半导体器件热行为之间的数学联系。3）搭建适用于电力电子器件热行为研究的新型实验平台。.本项目理论成果包括：1)提出了两种适用于功率半导体器件的频域热阻抗模型，及其仿真模型及参数提取方法，从频域的角度解释了现有的基于RC网络模型的局限性，并证明了频域热模型对于多时间尺度电热分析的优越性。 2) 提出了包括“基于直接阻抗补偿控制的改进工况模拟系统”、“基于电压信号传输的全带宽工况模拟系统”在内的多种变流器工况模拟系统电路及控制架构，提高了工况模拟带宽，实现了更准确的暂态工况模拟，并拓展了工况模拟范围。3) 提出了散热器温度无静差控制方法，实现了对功率半导体散热器温度的控制和塑造；成功复现了功率半导体器件在逆变器并网应用中的低电压穿越、以及电机驱动应用中的循环变速工况下的多时间尺度电热特性，创造了更为准确的可靠性测试条件。此外，还搭建了“频域热阻抗提取实验平台”，“电气工况模拟测试平台”，“温控散热器平台”，“电热工况综合模拟平台”四套用于功率器件电热特性研究的新型实验装置。.成果方面：在电力电子领域顶级期刊IEEE Transactions on Power Electronics发表SCI论文6篇，中文核心期刊论文3篇，发表EI国际会议论文7篇。