本文是一篇电气自动化论文，本文以IGBT模块为研究对象，阐述了模块失效的相关研究工作，包括失效机制、状态监测、寿命评估和热可靠性，总结了目前功率器件的结温获取方法以及封装级失效对IGBT模块的影响机理。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
随着国内外对能源需求的不断增加，能源的随机性和不确定性使能源危机等问题逐渐显现出来[1,2]，因此减少对传统能源的依赖，提高新能源使用率是大势所趋。在能源变换系统中，电力电子装置能够使电能进行高效转换，并在控制和调节中起到了至关重要的作用。就电力电子装置而言，功率器件是其十分重要的组成部分并广泛应用于通信、交通运输、电力行业等相关领域[3-5]，其可靠性是系统是否能稳定运行的关键。
IGBT模块作为功率场效应晶体管和双极型功率晶体管的复合器件[6-8]，其驱动电路简单、驱动功率小、开关损耗低、工作频率高，可以承受高电压和大电流、导通电压降小、热稳定性好。自1980年代出现以来，IGBT模块已覆盖600V-6500V的电压范围和1A-3600A的电流范围[9]，广泛应用于各种中高功率电气设备，是目前应用最广泛的全控型功率器件[10,11]。
随着电力电子装置的各项性能指标越来越严格，对功率器件的性能、设计水平和制造工艺的要求不断提高。厂商不断对IGBT模块采用新的结构和工艺，不断改进和优化芯片的内部结构和参数，IGBT模块的耐压水平、导通电流和功耗也得到优化。一般来说，IGBT模块芯片技术的发展主要集中在提高功率等级和降低损耗两个目标上：提高功率等级是指提高IGBT模块安全运行的最大电压和电流值。由于最大电压和电流还受温度、频率等因素的影响，功率等级的提高实际上包括对最大结温和开关频率的要求。损耗降低是指在满足一定功率水平要求的前提下，将总损耗（包括导通状态损耗和开关损耗）降至最低。
.........................
1.2国内外现状
1.2.1 IGBT模块结温估计的研究现状
为了提高功率转换器可靠性，实时监测功率器件在导通和开关过程中的电气和热特性仍然目前的研究重点[20]，IGBT结温的升高会以多种方式影响IGBT模块的稳定性。从电气方面来看，较高的结温会导致导通压降和漏电流的增加，开关功率和导通瞬态功率损耗都将增加。从热学方面来看，结温升高导致模块不同层的热应力增加，这是导致模块故障的主要原因[21]。
IGBT模块结温监测主要有两种方法，即理论计算方法和实验测量方法。在理论计算方法中，通常使用Foster模型[22,23]和Cauer模型[24,25]来模拟IGBT模块的瞬态热阻抗网络，瞬态热阻抗网络模型是一种不考虑IGBT模块物理机制的行为模型，如图1.2所示。在IGBT模块老化监测中，热网络法在精准地确定了模块的实时损耗模型以及瞬态热阻抗网络模型的前提下，结合参考点的温度可实时地反推出IGBT模块内部的温度分布情况。
电气自动化论文怎么写
...............................
第二章IGBT模块结构及导热原理
2.1 IGBT模块工作原理及结构
2.1.1 IGBT模块工作原理
IGBT模块由G栅极（门极）、E发射极（源极）和C集电极（漏极）三个极控制，IGBT模块结构图如图2.1所示，其中N+区称为源区，N基极称为漏区，集电极与发射极之间的P型区称为亚沟道区。P+区处于漏区的另一侧，称为漏注入区，漏注入区作为IGBT模块特有的功能区，与漏区和亚沟道区共同构成PNP双极晶体管，起到发射极的作用，通过向漏极注入空穴的方式进行导电调制，从而达到降低器件的通态电压的目的。
电气自动化论文参考
.....................
2.2传热学理论基础
在厂商生产和实际应用中，通常需要对功率器件进行热量传递分析，在IGBT模块实际工作中，为了避免器件受损或尽可能减小温度变化导致的参数和特性的改变[58]，规定模块连续工作时的最大芯片结温，即最高允许结温Tjmax。在热力学第二定律中，克劳修斯说法最经典的表述为：在不使其他发生变化时，热不可能自发地把热量从低温环境传向高温环境[59]，热量传递是以热传导为基本途径，除此之外还包括热对流与热辐射[60,61]。
（1）热传导
热传导的实质是由于物体内部或物体与物体之间大量的分子热运动，在相互碰撞的过程中使能量由高温部分向低温部分传递的过程，是固体与固体之间主要的传热方式。
（2）热对流
热对流又称对流传热，是指热微粒在冷、热流体之间发生相对位移所导致的热量传递过程，是流体所特有的一种传热方式，如图2.5所示。根据引起热对流的原因不同可以将其分为自然对流和强迫对流。
（3）热辐射
由于物体内部微观粒子的热运动而激发产生辐射电磁波的现象成为热辐射，不依赖任何外界条件而进行。任何温度高于0K的物体都会自发地不间断地向周围环境发生热辐射，既可以在空气中传播，也可以在真空中传播。热辐射通常伴随着能量由内能-辐射能-内能的转换，具有极强的方向性。
当IGBT模块处于工作状态时，模块芯片通过导通损耗和开关损耗产生的热量以热传导的方式经模块的各层状结构传递到散热器和塑料外壳，再以热对流或热辐射的形式将散热器和塑料外壳的热量传递到冷却系统或空气中[62]。
................................
第三章 考虑焊料层老化的双分支Cauer模型 ..................................... 16
3.1 芯片-铜端子双分支Cauer模型的构建 ........................... 16
3.1.1 IGBT模块三维几何建模 ...................................... 16
3.1.2 IGBT模块有限元热流路径分析 ............................ 17
第四章 考虑键合线老化的双分支Cauer模型 ....................... 30
4.1 引言 ............................. 30
4.2 IGBT模块键合线的老化机理 ........................... 30
4.3 基于双分支Cauer模型对键合线老化的监测 ............................. 31
第五章 总结与展望 .......................... 36
5.1 论文总结 .................................... 36
5.2 对后续研究工作的展望................................ 36
第四章考虑键合线老化的双分支Cauer模型
4.2 IGBT模块键合线的老化机理
IGBT模块内部的键合线一般都是焊接于芯片的中心部位，由于模块长时间在大电流的环境下工作，电流通过键合线后自身产生热量，所以在工作的情况下键合线温度一般高于芯片结温。并且键合线的两端分别固定在芯片和上铜层上，键合线与两者之间的膨胀系数和温度梯度存在较大差异，此外电流流经键合线产生的电应力导致IGBT模块在键合点处很容易出现裂纹，从而导致键合线脱落。
电气自动化论文参考
..........................
第五章总结与展望
5.1论文总结本文研究内容如下
（1）本文以IGBT模块为研究对象，阐述了模块失效的相关研究工作，包括失效机制、状态监测、寿命评估和热可靠性，总结了目前功率器件的结温获取方法以及封装级失效对IGBT模块的影响机理
（2）以IGBT模块内部结构为基础，根据电热比拟理论，在传统的七层Cauer热网络模型的基础上添加了铜端子部分，建立了芯片-铜端子双分支Cauer热网络模型。在IGBT模块正常运行的工况下，对热流路径进行分析，根据热流路径分布情况，提出了利用铜端子温度变化判断焊料层老化位置，以区分芯片焊料层老化和底板焊料层老化对铜端子温度的影响规律，从而对IGBT模块的健康状态进行有效监测
（3）考虑到IGBT模块内部键合线断裂会影响温度分布，在芯片-铜端子双分支Cauer模型的基础上，对不同根数键合线断裂情况进行有限元热仿真，研究发现铜端子温度随着键合线断裂根数的增加而不断升高，并且IGBT模块因键合线脱落导致模块失效时铜端子的温度与健康状态相比，差值会随着功率损耗增加而不断增大。该方法可以更好地实时监测大功率下IGBT模块的健康状态。
参考文献（略）