摘要
压接式IGBT（PresspackIGBT，PPI）相较于焊接式IGBT有易于串联、双面散热和失效短路工作等优点，在柔性直流输电领域具有良好的应用前景。压接式IGBT作为柔性直流输电的关键器件，其可靠性与柔性直流输电系统的可靠性密切相关。目前对于IGBT的可靠性研究大多聚焦于可靠性建模以及通过控制策略调节IGBT的功耗来提高IGBT的可靠性，但通过优化器件的结构来提高其可靠性的相关研究尚未引起重视。温度是压接式IGBT失效的重要诱因，温度特性又与压接式IGBT的结构密切相关，因此可通过压接式IGBT结构优化的方法提高器件可靠性。本文以东芝压接式IGBT为例，采取结构优化方法降低压接式IGBT结温不均匀度和结温差，进而提高了压接式IGBT可靠性。为减少优化过程的计算量，将有限元仿真替换为计算量较小的Kriging代理模型。本文主要研究内容如下： （1）明确压接式IGBT各组件的接触热阻，建立压接式IGBT单芯片子模组温度计算数值分析模型来计算其温度分布，并通过实验验证了模型的有效性。建立多芯片压接式IGBT温度计算有限元模型，分析压接式IGBT保护气体对温度分布的影响，揭示了压接式IGBT的结温分布特点。 （2）建立压接式IGBT单芯片子模组的热-力耦合分析模型，计算功率循环工况下单芯片子模的应力分布，揭示压接式IGBT芯片的薄弱位置并计算了芯片的寿命，最后提取影响压接式IGBT疲劳寿命的关键因素，为压接式IGBT的结构优化提供支持。 （3）建立基于代理模型的单目标优化算法，并通过数学算例证明优化算法的有效性。最后，以降低压接式IGBT的结温不均指数为例，采用单目标优化算法调节压接式IGBT各组件厚度，通过混合加点准则提高优化的精度。仿真结果表明，优化后结温不均匀度降低了44.53%。 （4）建立基于代理模型的多目标优化算法，并通过算例证明了优化算法的有效性。最后，为同时降低压接式IGBT的结温差和结温不均指数，采用基于代理模型的多目标优化算法来调节压接式IGBT各组件厚度。仿真结果表明，优化后的压接式IGBT结构结温差和结温不均匀度都优于初始的压接式IGBT结构。 本文基于有限元算法分析了压接式IGBT的结温特性，借助代理模型并关联智能优化算法来调整压接式IGBT的结构，为提高压接式IGBT的可靠性提供参考。
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