论文题目：压接式IGBT接触界面的热阻建模及改进散热研究
摘要：压接式IGBT是柔性直流输电系统的核心器件,具有结构紧凑、双面散热、失效短路、宽安全工作区、高可靠性等优点,特别适合应用于高压直流输电系统,其输出特性和工作可靠性直接影响着整个系统的性能。压接式IGBT通过外部压力使内部各个组件保持电气与机械连接,其自身的结构、模块内布局方式、加工误差和工作时的热应力等导致模组内并联芯片可能出现温度分布不均、单芯片上存在薄弱点等问题,极大地影响了其器件的可靠性。因而对压接式IGBT模块的热管理进行研究,探究影响压接式IGBT散热的主要因素并改进散热设计具有重要意义。针对上述问题,本论文主要从以下几个方面开展了较为深入的研究。首先,研究单芯片压接式IGBT的结构及工作过程,探究影响压接式IGBT散热的主要因素。根据单芯片压接式IGBT的结构,通过接触热阻、接触电阻经验公式在COMSOL软件平台中构建了单芯片压接式IGBT有限元模型,并提出了压接式IGBT的简化热阻模型。通过仿真研究了单芯片压接式IGBT的电流分布、应力分布和温度分布情况,分析了芯片的薄弱环节;并根据简化热阻模型研究了影响压接式IGBT器件散热的瓶颈,确定接触界面的接触热阻是影响其传热性能的重要环节。其次,对压接式IGBT器件接触界面的微观形貌及其对接触热阻的影响进行了深入研究,提出器件的改进热阻模型并进行实验验证。分析接触热阻的作用机理,结合蒙特卡洛法对接触界面的微观形貌进行建模,通过对接触界面的粗糙峰高度、实际接触面积进行模拟,构建了压接式IGBT器件接触界面的接触热阻计算模型,从而得到器件的改进热阻模型;在单芯片压接式IGBT模型基础上建立了两芯片并联的并联模块模型,并通过实验数据对模型的有效性进行了验证。最后,提出采用石墨烯改善压接式IGBT模块的散热性能,并研究压接式IGBT模块改进散热的设计方案。首先研究了石墨烯薄层增强接触界面热传导的作用机理,深入分析石墨烯薄层对接触界面纵向热阻的影响以及石墨烯平面内高热导率对芯片表面温度分布的影响;通过对比石墨烯薄层对压接式IGBT模块的单芯片薄弱点、并联芯片温度分布不均的改善效果,提出压接式IGBT中石墨烯薄层散热的改进设计方案。
关键词：压接式IGBT;有限元仿真;热阻建模;石墨烯;散热
学科专业：工程（电气工程）（专业学位）
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 压接式IGBT电-热-力特性的研究现状
1.2.2 石墨烯改善器件散热的研究现状
1.3 本文主要研究内容
2 压接式IGBT传热模型及仿真分析
2.1 压接式IGBT
2.1.1 压接式IGBT芯片结构
2.1.2 压接式IGBT外部封装结构
2.2 压接式IGBT的失效分析
2.3 压接式IGBT散热仿真
2.3.1 压接式IGBT器件的有限元建模
2.3.2 单芯片压接式IGBT器件的散热分析
2.3.3 单芯片压接式IGBT的简化热阻模型
2.3.4 单芯片模型边界条件设置
2.3.5 单芯片压接式IGBT的传热仿真分析
2.3.6 芯片薄弱环节分析
2.3.7 传热瓶颈分析
2.4 本章小结
3 压接式IGBT接触界面的微观特征及接触热阻建模
3.1 接触热阻的作用机理
3.2 接触界面的建模理论
3.2.1 微观形貌模型
3.2.2 单点接触热阻模型
3.3 压接式IGBT器件界面接触热阻计算模型
3.3.1 蒙特卡洛建模方法
3.3.2 接触界面微观形貌模型构建
3.3.3 压接式IGBT器件界面接触热阻计算模型
3.4 压接式IGBT改进热阻模型及仿真分析
3.5 并联压接式IGBT模块的传热模型及仿真分析
3.5.1 并联模块的几何模型构建
3.5.2 并联模块的边界条件设置
3.5.3 并联模块模型仿真分析
3.6 压接式IGBT并联模块传热模型的实验验证
3.7 本章小结
4 石墨烯对接触界面传热性能的影响分析
4.1 引言
4.2 石墨烯材料的性质
4.3 石墨烯薄层对接触界面热传导的影响机理分析
4.3.1 石墨烯薄层对接触界面微观形貌的影响
4.3.2 接触界面简化模型仿真分析
4.3.3 接触界面接触热阻计算分析
4.4 本章小结
5 石墨烯散热在压接式IGBT中的应用及其改进设计
5.1 引言
5.2 石墨烯薄层对单芯片压接式IGBT纵向传热的影响
5.2.1 石墨烯薄层对接触界面纵向热阻的影响分析
5.2.2 石墨烯薄层对单个接触界面传热的改善效果分析
5.2.3 散热方案设计
5.3 石墨烯薄层对并联压接式IGBT模组传热的影响分析
5.4 平面内热传导对石墨烯薄层散热的影响分析
5.4.1 接触界面平面内热传导分析
5.4.2 石墨烯薄层对接触界面平面内热传导的影响分析
5.4.3 散热方案改进
5.5 本章小结
6 总结和展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
A.学位论文数据集
致谢