Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tối ưu hóa phân bố áp suất trong transistor lưỡng cực cách ly cổng dạng press-pack
Tóm tắt
Hiệu suất của transistor lưỡng cực cách ly cổng dạng press-pack (IGBT) bị ảnh hưởng lớn bởi sự phân bố áp suất không đồng nhất. Tuy nhiên, việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa kỹ thuật để giải quyết các vấn đề thiết kế IGBT là không khả thi do tính phức tạp của tối ưu hóa không gian cao với các mô hình mô phỏng tốn thời gian. Bài báo này đề xuất một phương pháp tối ưu hóa thiết kế cấu trúc thực tiễn (SDO), nhằm nâng cao sự đồng nhất của phân bố áp suất cho các sản phẩm hiện có của IGBT dạng press-pack. Khái niệm về yếu tố cân bằng áp suất (PBF) được định nghĩa dựa trên phân tích phân bố ứng suất của IGBT, thiết lập một liên kết trực tiếp giữa ứng suất và cấu trúc của mỗi mô-đun phụ. Một hàm phân bố PBF được thiết lập để giảm chiều của vấn đề thiết kế. Một mô hình SDO tham số hóa được trình bày, có thể được giải quyết bởi các thuật toán cổ điển thông qua việc tự động gọi mô hình phần hữu hạn (FEM). Phương pháp này được áp dụng cho một vấn đề thiết kế của IGBT dạng press-pack thực tế với 44 mô-đun phụ. Các kết quả số và một thí nghiệm cho thấy phương pháp này có tiềm năng thực tiễn lớn nhờ vào những lợi thế về hiệu quả và khả năng vận hành.
Từ khóa
#IGBT #tối ưu hóa thiết kế #phân bố áp suất #mô hình phần hữu hạn #yếu tố cân bằng áp suấtTài liệu tham khảo
Bahrami M, Culham JR, Yovanovich MM (2004) Thermal contact resistance of nonconforming rough surfaces, part 2: thermal model. J Thermophys Heat Transf 18:218–227. https://doi.org/10.2514/1.2664
Bard J (1997) Engineering optimization: theory and practice, third edition. IIE Trans 29:802–803. https://doi.org/10.1080/07408179708966393
Bhosekar A, Ierapetritou M (2018) Advances in surrogate based modeling, feasibility analysis, and optimization: a review. Comput Chem Eng 108:250–267. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2017.09.017
Busca C, Teodorescu R, Blaabjerg F, Munk-Nielsen S, Helle L, Abeyasekera T, Rodríguez P (2011) An overview of the reliability prediction related aspects of high power IGBTs in wind power applications. Microelectron Reliab 51:1903–1907. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2011.06.053
De La Fuente E (2009) Von Mises stresses in random vibration of linear structures. Comput Struct 87:1253–1262. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2009.06.008
Deng E, Zhao Z, Xin Q, Zhang J, Huang Y (2017a) Analysis on the difference of the characteristic between high power IGBT modules and press pack IGBTs. Microelectron Reliab 78:25–37. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2017.07.095
Deng E, Zhao Z, Lin Z (2017b) Influence of temperature on the pressure distribution within press pack IGBTs. IEEE Trans Power Electron 33:6048–6059. https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2749521
Deng E, Zhao Z, Zhang P (2018) Study on the method to measure the thermal contact resistance within press pack IGBTs. IEEE Trans Power Electron 34:1509–1517. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2832042
Deng E, Zhang J, Zhao Z, Chen J, Li J, Huang Y (2019) Influence of the clamping force on the power cycling lifetime reliability of press pack IGBT sub-module. J Eng Des 16:2435–2439. https://doi.org/10.1049/joe.2018.8711
Eicher S, Rahimo M, and Tsyplakov E (n.d.) “4.5kV press pack IGBT designed for ruggedness and reliability,” IEEE Industry Applications Conference, to be published. [https://doi.org/10.1109/IAS.2004.1348674]
Fletcher R (2013) Practical methods of optimization. Wiley, New York
Forrester, Alexander IJ, Keane AJ (2009) Recent advances in surrogate-based optimization. Prog Aerosp Sci 45:50–79. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2008.11.001
Gerald CF (2004) “ Applied numerical analysis,” Pearson Education India
Greenwood JA (1967) The area of contact between rough surfaces and flats. J Tribol 89:81–87. https://doi.org/10.1115/1.3616906
Hadim H, Suwa T (2008) Multidisciplinary design and optimization methodologies in electronics packaging: state-of-the-art review. J Electron Packag 130:034001. https://doi.org/10.1115/1.2957459
Hasmasan AA, Teodorescu R, Helle L, Blaabjerg F (2014) Electro-thermo-mechanical analysis of high-power press-pack insulated gate bipolar transistors under various mechanical clamping conditions. IEEE J Indust Appl 3:192–197. https://doi.org/10.1541/ieejjia.3.192
Lai W, Lai W, Chen HLM (2018) Investigation on the effects of unbalanced clamping force on multi-chip press pack IGBT modules. IEEE J Emerg Select Top Power Electro 7:2314–2322. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2018.2876768
Liggins AB (1997) Optical measurement methods in biomechanics. Springer, Boston, pp 173–189
Lu B, Sharma SK (2009) A literature review of IGBT fault diagnostic and protection methods for power inverters. IEEE Trans Ind Appl 45:1770–1777. https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2027535
Pirondi A, Nicoletto G, Cova P (1998) Thermo-mechanical simulation of a multichip press-packed IGBT. Solid State Electron 42:2303–2307. https://doi.org/10.1016/s0038-1101(98)00229-9
Poller T, Basler T, Hernes M (2012) Mechanical analysis of press-pack IGBTs. Microelectron Reliab 52:2397–2402. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2012.06.079
Poller T, D’Arco S, Hernes M (2013) Influence of the clamping pressure on the electrical, thermal and mechanical behaviour of press-pack IGBTs. Microelectron Reliab 53:1755–1759. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2013.07.130
Rychlewski J (1984) On Hooke’s law. J Appl Math Mech 48:303–314. https://doi.org/10.1016/0021-8928(84)90137-0
Senturk OS, Munk-Nielsen S, and Teodorescu R (n.d.) “Electro-thermal modeling for junction temperature cycling-based lifetime prediction of a press-pack IGBT 3L-NPC-VSC applied to large wind turbines,” IEEE Energy Conversion Congress & Exposition, to be published. [https://doi.org/10.1109/ECCE.2011.6063820]
Shan S, Wang GG (2010) Survey of modeling and optimization strategies to solve high-dimensional design problems with computationally-expensive black-box functions. Struct Multidiscip Optim 41:219–241. https://doi.org/10.1007/s00158-009-0420-2
Shea J (2000) Electrical contacts principles and applications. IEEE Electr Insul Mag 16:37–38
Simpson T, Toropov V, Balabanov V, and Viana F (2008) “Design and analysis of computer experiments in multidisciplinary design optimization: a review of how far we have come - or not,” 12th AIAA/ISSMO multidisciplinary analysis and optimization conference. [https://doi.org/10.2514/6.2008-5802]
Song S, Yovanovich M (1988) Relative contact pressure - dependence on surface roughness and Vickers microhardness. J Thermophys Heat Transf 2:43–47. https://doi.org/10.2514/3.60
Uchida Y, Seki Y, and Takahashi Y (n.d.) “Development of high power press-pack IGBT and its applications,” IEEE Xplore, to be published. [https://doi.org/10.1109/ICMEL.2000.840538]
Venkayya VB (1978) Structural optimization: a review and some recommendation. Int J Numer Methods Eng 13:203–228. https://doi.org/10.1002/nme.1620130202
Wakeman F, Hemmings D, Findlay W, & Lockwood G (2000) Pressure contact IGBT, testing for reliability. PCIM, Nuremberg
Wakeman F, Pitman J, and Steinhoff S (n.d.) “Long term short-circuit stability in press-pack IGBTs” IEEE European Conference on Power Electronics & Applications, to be published. [https://doi.org/10.1109/EPE.2016.7695457]
Zhai C, Hanaor D, Proust G, Gan Y (2015) Stress-dependent electrical contact resistance at fractal rough surfaces. J Eng Mech 143(3):B4015001. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967