功率模块的耦合热网络模型和封装参数的优化研究

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1、硕士学位论文功率模块的耦合热网络模型和封装参数的优化研究作者姓名袁讯学科专业电力电子与电力传动指导教师王学梅教授所在学院电力学院论文提交日期2018年6月ResearchonThermalCouplingNetworkModelofPowerModuleandOptimizationofPackageParametersADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YuanXunSupervisor：Prof.WangXuemeiSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类

2、号：TM13学校代号：10561学号：201520111454华南理工大学硕士学位论文功率模块的耦合热网络模型和封装参数的优化研究作者姓名：袁讯导师姓名、职称：王学梅教授申请学位级别：硕士学科专业名称：电力电子与电力传动研究方向：功率模块的热特性及其可靠性论文提交日期：2018年6月6日论文答辩日期：2018年6月5日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员主席：张波委员：王学梅杜贵平李春茂张桂东摘要功率器件的快速发展使其广泛应用在航天、风电、电动汽车等领域中，然而越来越高的功率密度以及恶劣的运行环境等对功率器件的可靠性带来了巨大的挑战。模块在运行过程中产生的功率

3、损耗使模块处于循环波动的温度下，随之产生交变的热应力使得模块内各层材料受到挤压或者拉伸，长期运行下导致模块失效。因此，有必要对运行状态下模块的结温进行估测，这样一方面可以采取措施使模块工作在安全的温度范围内，另一方面可以进行模块的结温优化。随着功率模块功率密度的增大，芯片之间的距离越来越近，模块工作时，芯片的温度会相互影响，这会造成模块温度进一步的增大。即模块的结温不仅包括自身损耗产生的热量也会受到来自其他芯片的热影响。然而，传统热网络模型未考虑到芯片之间的热影响作用，使用传统热网络模型对芯片温度进行预测将会得到较低的温度，使结温预测产生较大的误差，有必要建立新的热网络模型以精确的获

4、取功率模块的结温。因此本文首先分析模块内热传导情况，基于模块内热的横向传导分析热交叉耦合作用的机理，并根据单芯片工作时其他芯片受到的温度影响建立交叉耦合热网络模型，进而通过有限元仿真获取模型中的热阻、热容参数。并且对交叉耦合热网络模型、传统热网络模型以及有限元模型获取的平均结温情况进行对比。然后基于所提出的交叉耦合热网络模型搭建关于有源负载电路的电热耦合模型，进行不同运行条件下芯片温度的预测，同时搭建有源负载实验平台进行模型的验证。进一步地，分别基于传统模型以及交叉耦合热网络模型搭建关于三相电机的电热耦合模型，来模拟汽车运行在美国城市循环工况(UDDS)时，变流器用功率模块的结温情况

5、，并进行模块的损伤估计以及寿命预测，以研究耦合模型对模块寿命的影响。最后利用有限元仿真软件对功率模块热阻以及工作时受到的热应力进行分析，以进行模块封装参数的优化。对比优化前、后的模块在UDDS汽车运行工况下的结温可见，优化后的模块可以得到较小的芯片温度，从而在一定程度上提高模块的可靠性。关键词：电动汽车变流器；交叉耦合热网络模型；电热耦合模型；结温改善；有限元分析IABSTRACTTherapiddevelopmentofpowerdevicesmakesthemwidelyusedinaerospace,windpower,electricvehiclesandotherfield

6、s.However,theincreasinglyhigh-powerdensityandharshoperatingenvironmentbringgreatchallengestothereliabilityofpowerdevices.Thelossesofthepowermoduleduringoperationwillcauseacyclicaltemperatureinthemodule,whichwillleadtoalternatingthermalstresswithinthemodule.Theneachlayerofmaterialissqueezedorstr

7、etched,causingmodulefailureduringlong-termoperation.Therefore,itisnecessarytoestimatethejunctiontemperatureofthemoduleintherunningstate.Sothat,ontheonehand,measurescanbetakentomakethemoduleworkinasafetemperaturerange.Ontheotherhan