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大功率变流装置在电能转换、传输、管理等方面具有明显优势,可提供高质量、高效率的电能,因而得到了广泛运用。作为变流器的关键单元,绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的高可靠性是系统安全、稳定运行的重要保证,由于工作环境的随机性、恶劣性以及IGBT模块的多层结构特点,其焊料层极易萌生裂纹、脱落导致模块失效,严重威胁系统的稳定运行。有效的焊料层失效评估方法、准确的寿命预测模型有助于准确评估模块的健康状态,是提高系统可靠性的重要手段。现有的焊料层失效监测、评估方案难以量化分析芯片焊料层、DBC焊料层对模块整体失效的贡献;寿命预测时一般忽略了疲劳累积效应,导致高估模块寿命。本文以IGBT模块的多物理场耦合模型为基础,研究了不同健康状态下模块的瞬态热响应过程,提出了基于瞬态热阻的IGBT模块焊料层失效定位、量化评估方法;在此基础上,提出了考虑焊料层失效位置的热网络更新策略,建立了计入疲劳累积效应的寿命评估方法。并通过试验验证了所提方法的有效性和准确性。本文的主要研究内容包括:(1)建立了IGBT模块的电-热-力多场耦合模型,该模型考虑了损耗与温度的关系以及焊层材料的粘塑性行为。利用该模型分析了焊料层的失效机理以及不同焊料层失效时模块的热、力特性,发现瞬态热阻包含了更多的失效信息。(2)根据IGBT模块焊料层在不同健康状态时的热响应特征,提出利用瞬态热阻评估焊料层失效位置和程度的方法。仿真分析了IGBT模块焊料层失效程度、位置不同时瞬态热阻的变化规律,并搭建了瞬态热阻测量试验平台,分析了不同工况和失效状态下瞬态热阻曲线的差异。从仿真和试验角度验证了所提方法的可行性和有效性。结果表明依据瞬态热阻曲线的分离点可有效判定焊料层的失效部位,适当分阶Cauer热网络模型可实现各焊料层失效程度的量化评估。(3)针对寿命预测模型多忽略热阻增大对热参数影响而导致高估器件寿命的问题,提出了基于Cauer热模型的热网络更新策略和考虑疲劳累积效应的模块寿命预测模型。在分析了不同焊料层失效对热载荷影响差异的基础上,提出基于Cauer热网络的更新策略,并与现有的更新策略对比分析验证其准确性。然后,将该更新策略用于寿命评估以计入疲劳累积对模块失效的加速作用,通过试验验证该模型。同时与现有寿命预测模型对比分析了实际风速下风机变流器模块的寿命评估。