[发明专利]一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法

说明书

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。

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。