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摘要
针对高压柔性直流输电系统换流阀用焊接式绝缘栅双极型晶体管(insulated gate biopolar transistor,IGBT)器件开展了发热机理和散热特性研究。基于器件发热特点,首先采用瞬态双曲线法对器件的热阻进行测试并确定了器件总热阻,总热阻与根据器件结构参数和各层材料导热系数求解得到的结果一致,验证了用于有限元模型各层材料导热系数选取的准确性。然后建立了器件完整的三维有限元模型,包括芯片、DCB板、基板、硅胶和外壳等,依次开展器件稳态热场、瞬态热场和热力耦合场计算。稳态热场计算表明,基板对流换热系数的取值是器件散热的关键,改变器件上层的硅胶导热系数对散热效果不明显;瞬态热场计算可知,在28 s后器件温升达到稳态,最高运行温度为80. 2℃,各芯片热均匀性良好;以稳态热场结果作为荷载开展了器件的应力计算,结果表明器件翘曲和残余应力小,运行可靠性好。通过测试和仿真手段详尽地分析了IGBT器件的散热特性,可以为后续器件优化设计和可靠运行提供良好技术支持。
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