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通过功率循环测试，利用改进的互连技术对最新标准双电源模块进行老化调查
通过功率循环测试对使用改进的互连技术的最新标准双功率模块进行老化调查 Yi Zhang a,* 、Rui Wu b 、F. Iannuzzo a 、Huai Wang aa AAU Energy，奥尔堡大学，丹麦奥尔堡 b Vestas Wind Systems A/S，丹麦奥胡斯 摘要 为硅和碳化硅设备开发了最新标准“新型双”功率模块，以满足高可靠性和高温电力电子应用日益增长的需求。由于新封装刚刚开始投放市场，其可靠性性能尚未得到充分研究。本文研究了基于新封装的 1.7 kV/1.8 kA IGBT 功率模块的功率循环能力。对功率循环前后的电气和热性能都进行了研究。在 Δ T j = 100 K 和 T jmax = 150 ° C 的条件下经过 120 万次循环后，芯片和键合线均没有明显的性能下降。尽管如此，在测试环境中，在约 600 k 次循环后，已达到导通电压 (V ce ) 增加的寿命终止标准。进一步的扫描声学显微镜测试发现，疲劳位置从传统的近芯片互连（例如，键合线剥离）转移到直接键合铜 (DBC) 基板和底板层。考虑到新封装的循环寿命是传统功率模块的十倍以上，预计随着互连技术的进一步改进，热机械疲劳将不再是限制寿命的机制。同时，随着先前的瓶颈（例如，键合线）得到解决，一些新的疲劳机制（例如，DBC 的分层）在新封装中变得明显。
国家电力计划
缩略词 扩展 AAAC 全铝合金导体 ABT 基于可用性的费率 ACSR 铝导体 钢筋 AIS 空气绝缘变电站 ATC 可用传输能力 BESS 电池储能系统 CAGR 复合年增长率 CCAI 印度煤炭消费者协会 CEA 中央电力局 CERC 中央电力监管委员会 CICA 复合绝缘横担 ckm 电路公里 [线路长度（公里）x 电路数] CSD 控制开关设备 CSIRT 计算机安全事件响应小组 CTU 中央输电公用事业 DISCOM 配电公司 DLR 动态线路额定值 EHV 超高压 EMT 电磁瞬态 EPS 电力调查 FACTS 柔性交流输电系统 GDP 国内生产总值 GEC 绿色能源走廊 GIL 气体绝缘线路 GIS 气体绝缘变电站 GNA 通用网络接入 GW 千兆瓦（1 GW =1000 MW） HEP 水力发电厂/项目 HTLS 高温低垂 HVAC 高压交流电 HVDC 高压直流电 ICT 互连变压器 IEEE 电气电子工程师协会 IGBT 绝缘栅双极晶体管 Intra-STS 州内输电系统 IPP 独立电力生产商 ISGS 州际发电站 ISTS 州际输电系统 IWPA 印度风能协会 kV 千伏 LiDAR 光检测和测距 LILO 线路输入线路输出 MNRE 新再生能源部 MoEF&CC 环境、森林和气候变化部 MoP 电力部 MPLS 多协议标签交换 MSC 机械开关电容器 MSR 机械开关电抗器 MU 百万单位（1 MU =10 6 kWh） MVA 兆伏安（1 MVA = 10 6 VA）
跨学科小组
课程（均为 3 学分课程） EEE 6002：电气与电子工程选题 课程内容由课程老师在 EEE 系研究生委员会（BPGS）批准下决定。（注意：每个学生只能选修一次本课程） EEE 6101：非线性系统分析 数值方法。图解法。已知精确解的方程。奇点分析。解析方法。受迫振动系统。变系数线性微分方程。非线性系统的稳定性。 EEE 6103：人工神经网络 生物神经系统：大脑和神经元。人工神经网络。历史背景。赫布联想子。感知器：学习规则、说明、证明、失败 自适应线性（ADALINE）和多重自适应线性（MADALINE）网络。多层感知：生成内部表示 反向传播、级联相关和反传播网络。高阶和双向关联记忆。霍普菲尔德网络：李亚普诺夫能量函数。吸引盆地。概率更新：模拟退火、玻尔兹曼机。自适应谐振理论 (ART) 网络 ART1、ART2、模糊 ART 映射 (ARTMAP) 网络。Kohonen 特征图、学习矢量量化 (LVQ) 网络。新兴主题：卷积神经网络、深度神经网络。神经网络的应用。EEE 6301：功率半导体电路* 静态开关器件，SCR、BJT、MOSFET、IGBT、SIT、GTO、MCT 的特性。静态功率转换器的分类及其应用。静态功率转换器的控制电路。脉冲宽度调制；静态功率转换器的 PWM 控制。开关模式 DC-DC 转换器、谐振转换器、静态转换器波形的傅里叶分析、静态转换器的 HD、THD、pf、ZVS 和 ZCS。交流驱动器的磁滞电流。 *本课程也属于 EEPS 组
已发表版本引用 (APA)：Zhang, Y., Wu, R., Iannuzzo, F., & Wang, H. (2022). 最新标准双电源模块老化调查
通过功率循环测试对使用改进的互连技术的最新标准双功率模块进行老化调查 Yi Zhang a,* 、Rui Wu b 、F. Iannuzzo a 、Huai Wang aa AAU Energy，奥尔堡大学，丹麦奥尔堡 b Vestas Wind Systems A/S，丹麦奥胡斯 摘要 为硅和碳化硅设备开发了最新标准“新型双”功率模块，以满足高可靠性和高温电力电子应用日益增长的需求。由于新封装刚刚开始投放市场，其可靠性性能尚未得到充分研究。本文研究了基于新封装的 1.7 kV/1.8 kA IGBT 功率模块的功率循环能力。对功率循环前后的电气和热性能都进行了研究。在 Δ T j = 100 K 和 T jmax = 150 ° C 的条件下经过 120 万次循环后，芯片和键合线均没有明显的性能下降。尽管如此，在测试环境中，在约 600 k 次循环后，已达到导通电压 (V ce ) 增加的寿命终止标准。进一步的扫描声学显微镜测试发现，疲劳位置从传统的近芯片互连（例如，键合线剥离）转移到直接键合铜 (DBC) 基板和底板层。考虑到新封装的循环寿命是传统功率模块的十倍以上，预计随着互连技术的进一步改进，热机械疲劳将不再是限制寿命的机制。同时，随着先前的瓶颈（例如，键合线）得到解决，一些新的疲劳机制（例如，DBC 的分层）在新封装中变得明显。
使用 X 射线成像评估电子产品的故障机制
我要感谢我的导师 Pertti Silventoinen 教授，让我在攻读博士期间一路顺风顺水，无需担心官僚主义障碍。我感谢这篇博士论文的审阅者和反对者 Rajan Ambat 教授和 Bálint Medgyes 博士，感谢他们花费宝贵的时间阅读和评论我的论文。此外，我还要感谢我的 ABB 导师 Kari Maula 博士在我的整个学习过程中提供的专业指导。我要感谢我的部门经理 Vesa Tiihonen 先生和我的团队经理 Jonas Strandell 先生，他们提供了一个可以轻松专注于研究的工作环境。我还要感谢系统驱动产品工程和质量部门的每一位同事，特别是 Joonas Leppänen 先生，感谢他分享了 IGBT 环境测试方面的知识和科学意见。我非常感谢 Drives Product、Quality and Reliability Laboratory 的同事们对我的支持、建议和帮助，尤其是 Joni Jormanainen 先生、Aleksi Vulli 先生、Natalia Kanko 女士和 Samu Kaius Järvinen 先生。你们花费了大量时间与我一起进行研究和撰写文章。此外，还要非常感谢 Mika Kiviniemi 先生处理构建和实施我们的测试设置和研究方法所需的所有订单。特别感谢 LUT 的 Olosuhdetestauskontti 团队，尤其是 Tommi Kärkkäinen 博士，感谢你们在我攻读 LUT 博士学位期间给予的大力支持。我还要向 Hanna Niemelä 博士表示最深切的谢意，她帮助我改进了这篇论文的语言。我要感谢我的父母 Kjell 和 Sari，感谢他们在我的一生中给予我的所有积极支持。最后，我的妻子蒂亚和儿子埃米尔，感谢你们多年来在我学习和职业生涯中给予我的爱、支持和鼓励。
国家电力计划
缩略词 扩展 AAAC 全铝合金导体 ABT 基于可用性的费率 ACSR 铝导体 钢筋 AIS 空气绝缘变电站 ATC 可用传输能力 BESS 电池储能系统 CAGR 复合年增长率 CCAI 印度煤炭消费者协会 CEA 中央电力局 CERC 中央电力监管委员会 CICA 复合绝缘横担 ckm 电路公里 [线路长度（公里）x 电路数] CSD 控制开关设备 CSIRT 计算机安全事件响应小组 CTU 中央输电公用事业 DISCOM 配电公司 DLR 动态线路额定值 EHV 超高压 EMT 电磁瞬态 EPS 电力勘测 FACTS 柔性交流输电系统 GDP 国内生产总值 GEC 绿色能源走廊 GIL 气体绝缘线路 GIS 气体绝缘变电站 GNA 通用网络接入 GW 千兆瓦（1 GW =1000 MW） HEP 水力发电厂/项目 HTLS 高温低垂 HVAC 高压交流电 HVDC 高压直流电 ICT 互连变压器 IEEE 电气电子工程师协会 IGBT 绝缘栅双极晶体管 Intra-STS 州内输电系统 IPP 独立电力生产商 ISGS 州际发电站 ISTS 州际输电系统 IWPA 印度风能协会 kV 千伏 LiDAR 光检测和测距 LILO 线路输入线路输出 MNRE 新再生能源部 MoEF&CC 环境、森林和气候变化部 MoP 电力部 MPLS 多协议标签交换 MSC 机械开关电容器 MSR 机械开关电抗器 MU 百万单位（1 MU =10 6 kWh） MVA 兆伏安（1 MVA = 10 6 VA）
教程标题 导师团队 摘要
摘要 宽带隙器件正日益渗透到汽车市场，并成为汽车应用（无论是牵引逆变器还是电池充电器）的首选。牵引逆变器的任务概况特别艰巨，因为当电机驱动器经历驱动周期的各个阶段（包括加速、减速、失速等）时，功率器件上的电热应力在幅度和频率上会发生很大变化。从历史上看，牵引转换器一直使用硅器件实现，其性能和可靠性众所周知。在汽车应用中应用 SiC MOSFET 和 GaN 功率器件等 WBG 器件需要了解可靠性和认证程序，尤其是根据汽车标准。与硅器件相比，SiC 和 GaN 功率器件具有不同的内部物理特性和工作模式，其稳健性和可靠性性能也大不相同。鉴于应用的敏感性，这些器件必须通过汽车电子委员会 (AEC)、联合电子设备工程委员会 (JEDEC-JC70) 和欧洲电力电子中心 (AQG) 制定的严格汽车可靠性测试和指南。本教程旨在介绍与以下内容相关的主题：（i）WBG 器件的物理和操作：这包括这些 WBG 器件与传统硅 IGBT 和 MOSFET 的不同之处的详细信息；（ii）WBG 器件的可靠性和稳健性：这包括这些 WBG 技术的哪些方面使它们比传统硅器件更稳健或更不稳健的详细信息。（iii）特定于应用的可靠性要求：这包括如何将应用程序的任务概况转化为功率器件上的应力的详细信息。这一点至关重要，因为与牵引变流器或负载服务直流/直流转换器中的设备相比，电动充电器中使用的设备将受到非常不同的电热和热机械应力。（iv）测试方法和规范：这包括用于实施这些测试的电路和系统的详细信息。讨论将包括标准生产线终端生产测试、筛选测试和资格测试之间的差异。由于这些 WBG 设备的性质，其中一些测试方法必须适应 WBG 设备物理的特殊性。
巴西航空工业公司 190/195 飞机 DC-Link VSCF 交流电源系统的设计
介绍了一种用于 Embraer 190/195 运输类飞机的新型 DC-Link VSCF AC-DC-AC 电力系统转换器。所提出的转换器可以取代现有的基于 CSCF IDG 的传统系统。几架当代生产飞机已经将 VSCF 作为主要或备用电源。过去，较旧的 VSCF 系统存在问题；然而，开关电源电子和数字控制器已经成熟，我们认为现在可以安全地集成并取代现有的为 CSCF AC 发电机供电的恒速液压传动装置。使用 IGBT 功率晶体管进行中等水平的功率转换和相对快速有效的切换。利用 VSCF 进行电力发电、转换、分配、保护和负载管理可提供传统 CSCF IDG 系统所不具备的灵活性、冗余性和可靠性。针对 E190/195 提出的 DC-Link VSCF 系统利用 12 脉冲整流器、降压转换器和 3-w 12 步逆变器（带 DY、YY 和 YD 3-w 变压器）提供多个级别的 3-w 交流和直流电源，即 330/270/28 VDC 和 200/115/26 VAC。使用三个参考交流相位信号和高达 100 kHz 三角载波的传统双极双边载波脉宽调制可用于消除所有偶数和许多奇数超谐波。无源低通滤波器用于消除高次谐波。RL 交流负载与同步和感应交流电机连接时处于活动状态，还包括无源交流负载。总功率因数超过 85%。电压和电流的总谐波失真低于 5%，因此满足 MIL-STD-704F 和 IEEE Std. 519 电能质量标准，同时避免了有源滤波器的需要。使用连续周期调谐方法设计和调谐了几个用于调节同步发电机直流励磁和逆变器组的 PI 和 PID 控制器，以提供所需的性能和反馈回路的稳定性。Mathworks 的 Simulink TM 软件用于电气元件和电路的仿真。模拟了飞机运行的几个关键场景，例如复飞，以评估 VSCF 系统的瞬态行为。
为 Embraer 190/195 飞机设计 DC-Link VSCF 交流电源系统
提出了一种用于 Embraer 190/195 运输类飞机的新型 DC-Link VSCF AC-DC-AC 电力系统转换器。所提出的转换器可以取代现有的基于 CSCF IDG 的传统系统。几架当代生产的飞机已经将 VSCF 作为主要或备用电源。过去旧的 VSCF 系统存在问题；然而，开关电源电子和数字控制器已经成熟，我们认为现在可以安全地集成并取代现有的为 CSCF AC 发电机供电的恒速液压传动装置。使用 IGBT 功率晶体管进行中等水平的功率转换和相对快速有效的切换。利用 VSCF 进行电力生成、转换、分配、保护和负载管理提供了传统 CSCF IDG 系统所不具备的灵活性、冗余性和可靠性。针对 E190/195 提出的 DC-Link VSCF 系统利用 12 脉冲整流器、降压转换器和 3-w 12 步逆变器（带 D-Y、Y-Y 和 Y-D 3-w 变压器）提供多个级别的 3-w 交流和直流电源，即 330/270/28 VDC 和 200/115/26 VAC。使用三个参考交流相位信号和高达 100 kHz 三角载波的传统双极双边载波脉宽调制可用于消除所有偶数和许多奇数超谐波。无源低通滤波器用于消除高次谐波。RL 交流负载与同步和感应交流电机相关，并且还包括无源交流负载。总功率因数超过 85%。电压和电流的总谐波失真低于 5%，从而满足 MIL-STD-704F 和 IEEE Std.519 电能质量标准，同时避免了有源滤波器的需要。使用连续周期调谐方法设计和调谐了几个调节同步发电机直流励磁和逆变器组的 PI 和 PID 控制器，以提供反馈回路所需的性能和稳定性。Mathworks 的 Simulink TM 软件用于电气元件和电路的仿真。模拟了飞机运行的几个关键场景，例如复飞，以评估 VSCF 系统的瞬态行为。
重复短路应力下 SiC MOSFET 栅极老化规律预测
b IRT Saint-Exupéry，图卢兹，法国 摘要 本文提出了 SiC MOSFET 栅极在重复短路应力下的老化规律。基于分析研究、物理形式和预处理数据，提出了基于应力变量 T j、T 脉冲栅极损伤 % 和 E sc 的数值拟合。对老化规律的准确性和预测能力进行了评估和比较。结果提出了一种基于 T Al_Top 金属源的新老化规律。该规律的拟合精度最高。最后，直接基于短路能量 E sc 的老化规律似乎具有最佳的预测能力。 1. 简介 SiC MOSFET 提高了功率转换器效率 [1]。如今，必须保证意外极端操作中的可靠性和稳健性。然而，由于平面结构中的电流密度更高和通道更短，SiC MOSFET 的短路 (SC) 耐受时间 (T SCWT @2/3 x V DSmax ) 低于硅器件，t SCWT = 2μs，而 Si IGBT 的 t SCWT = 10μs。最近，人们投入了大量精力来研究短路测试下的专用 SiC MOSFET 故障机制 [2,3]。高温变化导致栅极区域和 Al 源金属周围产生累积热机械应力。这些通常导致 SiC MOSFET 无法超过源自硅标准的 1000 次重复短路循环阈值。在 SiC MOSFET 栅极损坏之前，对其允许的短路循环次数的预测目前尚不为人所知，但这却是运行阶段主要关注的问题。在 [4] 中，提出了威布尔分布和直接 T j Coffin-Manson 老化定律，但漏源电压偏置降低至 200V，并使用栅极沟槽器件。在 [5] 中，作者通过实验证实了栅极老化与 T j 应力的依赖关系，但未拟合 Coffin-Manson 参数，因此未提出预测能力。在本文中，进行了重复的 SC 研究，以建模并提出一组 SiC MOSFET 上的预测分析栅极老化定律