CN111090940B - 一种基于ansys的mmc子模块压接式igbt短期失效分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法，包括以下步骤：步骤一、利用ANSYS的Simplorer得到MMC子模块压接式IGBT在工况下的损耗；步骤二、利用ANSYS的SpaceClaim，进行IGBT模型的建立；步骤三、通过ANSYS的Icepak以及Simplorer对步骤二得到的IGBT模型进行Foster网络的提取；步骤四、将步骤一计算得到的损耗，导入到步骤三提取的Foster网络中，得到IGBT内部各位置的实时温度变化情况。本发明能够抓住短时间尺度下MMC子模块压接式IGBT失效的主要因素，逐步得到工况下IGBT内部温度的精确分布情况。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电领域，具体涉及一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法。
背景技术
在柔性直流输电中，模块化多电平换流器(MMC)作为多电平变换器的一种，取得了最为广泛的应用。与其他多电平变换器相比，MMC拓扑结构具有波形质量高、故障处理能力强、损耗低等诸多优点，是柔性直流输电的首先拓扑结构。但在MMC的应用过程中，一些问题随之出现并有待解决。IGBT功率模块作为MMC的关键部件，其工作的可靠性是整体MMC系统运行可靠性的关键。据统计，有超过35％的变流系统故障是由于功率模块的失效。由于对于功率模块的可靠性研究的相对薄弱，在系统的设计过程中往往依靠采用较大的裕量换取设备运行的可靠性，这大大提高了设备的成本。因此对于功率模块的失效机理进行深入的研究，建立接近实际工况的功率模块的失效模型，对提高系统的可靠性以及经济效益具有重要意义。
由于功率模块的封装特点，直接通过实验研究其内部的物理过程难度较大，采用实验的手段只能一般对已经失效的功率模块进行外部现象研究(如键合引线的脱落，电极的金属表面化重建等)，但无法对功率模块的失效机理与失效模式进行进一步的分析。因此一般采用建模的方法在理论上建立失效模型，再通过实验检验模型的正确性。现有研究工作主要集中在电力半导体芯片内部短时电气过应力失效、过温失效以及电力半导体模块的键合引线脱落及焊料层疲劳失效。但对于功率模块可靠性的量化评估十分缺乏，对于其中物理过程在不同时间尺度下功率模块的失效分析涉及不多。
发明内容
本发明针对IGBT模块可靠性研究中存在的问题，尤其是量化研究以及对于不同时间尺度下的失效分析的缺乏，提出了一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法。通过这一方法能够准确分析短时间尺度下IGBT模块内部电路与热路之间的相互作用关系，从而得出IGBT模块的失效机理并刻画出安全运行域。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法，包括以下步骤：
步骤一、利用ANSYS的Simplorer得到MMC子模块压接式IGBT模块在工况下的损耗；
步骤二、利用ANSYS的SpaceClaim，进行IGBT模型的建立；
步骤三、通过ANSYS的Icepak以及Simplorer对步骤二得到的IGBT模型进行Foster网络的提取；
步骤四、将步骤一计算得到的损耗，导入到步骤三提取的Foster网络中，得到IGBT内部各位置的实时温度变化情况。
进一步地，步骤一具体为：在Simplorer中搭建MMC系统，将三相电路简化为单相进行研究，先对理想器件进行工况的仿真研究，再将其中一个SM子模块修改为包含动态静态参数的实际IGBT器件，然后再加入Q3D提取出的寄生参数；在最终搭建的MMC系统中，其中一个子模块内考虑了寄生参数及使用了实际的IGBT模型，其余子模块均为理想器件且没有考虑寄生参数，根据瞬时功率的定义，在MMC运行工况下，每一时刻电压电流乘积即为该时刻MMC功率模块损耗瞬时值，对功率损耗瞬时值在15个周期内做关于时间的积分再除以周期长度，即得到MMC运行工况下功率模块中IGBT的损耗平均值。
进一步地，步骤二在SpaceClaim中通过对实际IGBT模块进行简化，最终得到的IGBT模型分为四部分：集电极凸台、上下两部分钼片、硅芯片及发射极凸台；
其中集电极凸台由圆柱形集电极和多个长方体凸台组成；钼片加在硅芯片上下两端，由部分有缺口的长方体组成；硅芯片由两部分组成，内部为有源区域，外部为无源区域，形状与相对应的两侧钼片相同；发射极凸台由圆柱形发射极和多个长方体凸台组成。
进一步地，步骤三在Icepack中导入步骤二建立的IGBT模型，设置模型中各个部分的材料参数，将发射极和集电极与散热器相接触的表面的换热系数设置为常数，将步骤一得到的损耗设定为热源，即能够得到稳态下各个部分的温度；再将损耗设定为变量，通过赋予不同的值得到一系列的温度结果，将结果导入到Simplorer中，提取出子模块中IGBT的热网络模型。
进一步地，步骤四将步骤一得出的瞬时功率损耗导入到步骤三提取的Foster网络中，与芯片温度进行耦合，得到IGBT芯片内部观测点温度随工况实时变化的情况。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)压接式IGBT模块内部结构复杂，涉及参数多，存在多个物理场的耦合，因此IGBT模块的失效机理十分复杂，对于失效机理的量化评估更是其中的难点。而在不同的时间尺度下，IGBT模块的失效机理大不相同，因此，通过时间尺度的划分，在不同尺度下对失效机理进行研究更加合理。本发明在短时间的尺度对IGBT模块的失效机理进行研究。对于短时间尺度的情况，考虑短时间内模块过热失效，主要关注模块中温度最高点，因此建立电路热路耦合模型，分析结温与工况的关系，并刻画安全运行域。
(2)本发明在模型的建立过程中对模型进行了合理的简化，抓住了对短时间尺度下电路与热路产生影响的关键因素，使模型在接近工况的同时大大减小了仿真的计算量。如功率损耗模型的建立，先对理想器件进行工况的仿真研究，再将其中一个子模块修改为包含动态静态参数的实际IGBT器件，然后再加入Q3D提取出的寄生参数，一步一步逼近实际运行状况；IGBT模块几何模型分为四部分：集电极凸台，上下两部分钼片，硅芯片，发射极凸台。
(3)本发明在短时间尺度下电路热路耦合过程中，考虑到在短时间内热路对电路产生的影响较小，因此可进行电路对热路的单向耦合，突出短时间尺度下电路热路耦合的特点，并减小了仿真的计算量。
附图说明
图1为本发明基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法仿真流程图；
图2为本发明简化的IGBT几何模型图，其中(a)为IGBT模型正视图，(b)为集电极凸台，(c)为发射极凸台，(d)为硅芯片，(e)为钼片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
压接式IGBT模块结构复杂，多个物理场间存在耦合，在短时间尺度下，压接式IGBT模块的失效主要涉及电场与温度场之间的耦合，仿真流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：利用ANSYS的Simplorer得到MMC子模块压接式IGBT模块在工况下的损耗；
在simplorer中搭建MMC系统，将三相电路简化为单相进行研究，先对理想器件进行工况的仿真研究，再将其中一个SM子模块修改为包含动态静态参数的实际IGBT器件，然后再加入Q3D提取出的寄生参数，一步一步逼近实际运行状况。在最终搭建的MMC系统中，其中一个子模块内考虑了寄生参数及使用了实际的IGBT模型，其余子模块均为理想器件且没有考虑寄生参数。根据瞬时功率的定义，在MMC运行工况下，每一时刻电压电流乘积即为该时刻MMC功率模块损耗瞬时值。对功率损耗瞬时值在15个周期内做关于时间的积分再除以周期长度，便可得到MMC运行工况下功率模块损耗平均值。
步骤二：利用ANSYS的SpaceClaim，进行IGBT模型的建立；
在SpaceClaim中通过对实际IGBT模块进行一定的简化，最终得到的模型将分为四部分：集电极凸台，上下两部分钼片，硅芯片，发射极凸台。图2为本发明简化的IGBT几何模型图，其中集电极凸台由圆柱形集电极和多个长方体凸台组成；钼片加在硅芯片上下两端，由部分有缺口的长方体组成；硅芯片由两部分组成，内部为有源区域，外部为无源区域，形状与相对应的两侧钼片相同；发射极凸台由圆柱形发射极和多个长方体凸台组成；上述的各长方形凸台、钼片和硅芯片均各自呈现“35553”的均匀分布。在实际情况中，对于不同类型的IGBT，可视情况简化出不同的几何模型。
步骤三：通过ANSYS的Icepak以及Simplorer对步骤二得到的IGBT模型进行Foster网络的提取；
在Icepack中导入画好的IGBT模型，设置模型中各个部分的材料参数，将发射极和集电极与散热器相接触的表面的换热系数设置为常数，将芯片损耗设定为热源，即能够得到稳态下各个部分的温度。由于一个IGBT中存在多个硅芯片，可将其分为多组，再将损耗设定为变量，通过赋予不同的值得到一系列的温度结果，将结果导入到Simplorer中，可以提取出子模块的热网络模型，即可研究在不同的工况下损耗和芯片结温的关系。
步骤四：将步骤一计算得到的损耗，导入到步骤三提取的Foster网络中，得到IGBT内部各位置的实时温度变化情况；
热网络模型表征了压接模块的热特性，用于计算在给定的功率损耗下，压接模块结温。将得出的功率损耗与IGBT芯片的温度进行耦合，耦合的方法可根据平均功率或瞬时功率进行耦合，为了得到短时间尺度下精确的结果，使用损耗的瞬时功率与芯片温度进行耦合。将MMC系统的瞬时损耗功率导入Icepak模块进行电热耦合，得到IGBT芯片内部观测点温度随工况实时变化的情况。
Claims (4)
1.一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用ANSYS的Simplorer得到MMC子模块压接式IGBT模块在工况下的损耗；具体为：在Simplorer中搭建MMC系统，将三相电路简化为单相进行研究，先对理想器件进行工况的仿真研究，再将其中一个SM子模块修改为包含动态静态参数的实际IGBT器件，然后再加入Q3D提取出的寄生参数；在最终搭建的MMC系统中，其中一个子模块内考虑了寄生参数及使用了实际的IGBT模型，其余子模块均为理想器件且没有考虑寄生参数，根据瞬时功率的定义，在MMC运行工况下，每一时刻电压电流乘积即为该时刻MMC功率模块损耗瞬时值，对功率损耗瞬时值在15个周期内做关于时间的积分再除以周期长度，即得到MMC运行工况下功率模块中IGBT的损耗平均值；
步骤二、利用ANSYS的SpaceClaim，进行IGBT模型的建立；
步骤三、通过ANSYS的Icepak以及Simplorer对步骤二得到的IGBT模型进行Foster网络的提取；
步骤四、将步骤一计算得到的损耗，导入到步骤三提取的Foster网络中，得到IGBT内部各位置的实时温度变化情况。
2.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法，其特征在于，步骤二在SpaceClaim中通过对实际IGBT模块进行简化，最终得到的IGBT模型分为四部分：集电极凸台、上下两部分钼片、硅芯片及发射极凸台；
其中集电极凸台由圆柱形集电极和多个长方体凸台组成；钼片加在硅芯片上下两端，由部分有缺口的长方体组成；硅芯片由两部分组成，内部为有源区域，外部为无源区域，形状与相对应的两侧钼片相同；发射极凸台由圆柱形发射极和多个长方体凸台组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法，其特征在于，步骤三在Icepack中导入步骤二建立的IGBT模型，设置模型中各个部分的材料参数，将发射极和集电极与散热器相接触的表面的换热系数设置为常数，将步骤一得到的损耗设定为热源，即能够得到稳态下各个部分的温度；再将损耗设定为变量，通过赋予不同的值得到一系列的温度结果，将结果导入到Simplorer中，提取出子模块中IGBT的热网络模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法，其特征在于，步骤四将步骤一得出的瞬时功率损耗导入到步骤三提取的Foster网络中，与芯片温度进行耦合，得到IGBT芯片内部观测点温度随工况实时变化的情况。
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