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相变材料对压接式IGBT在功率脉冲期间热缓冲效应的研究

第一作者及机构
该研究由Chongqing University（重庆大学）的Hai Ren（第一作者）、Gaofeng Hao、Weihua Shao等学者，与University of Warwick（英国华威大学）的Li Ran、Philip Mawby合作完成，发表于2019年IEEE会议论文集（ISBN 978-1-7281-0395-2）。

学术背景
研究领域为电力电子封装中的热管理技术。压接式IGBT（Press-Pack IGBT）因其紧凑结构和适用于高压直流输电（HVDC）等电网级应用的优势，成为大功率系统的关键器件。然而，电网故障（如低电压穿越，LVRT）引发的功率脉冲会导致芯片结温（junction temperature）急剧上升，可能引发热击穿。传统方法（如crowbar、STATCOM）存在成本高或无法提供无功功率等局限。因此，本研究提出将相变材料（Phase Change Material, PCM）集成到压接式IGBT封装中，利用其潜热（latent heat）吸收瞬态热量，抑制结温波动。

研究流程与方法
1. PCM选型与结构设计
- PCM选择：对比固态-固态（SS-PCM）和固态-液态（SL-PCM）材料后，选用铋基合金（Bismuth-base alloy），因其高导热性（35 W/(m·K)）和适中熔点（108°C）。
- 封装结构：在芯片上方的钼制血小板（platelet）中钻孔填充PCM，通过螺纹密封防止泄漏（图5）。设计遵循三项热学准则：①PCM需贴近芯片以降低热阻；②用量需覆盖功率脉冲的额外热量；③最小化PCM用量以减少稳态热阻。

1. 实验验证

   • 测试平台：搭建单芯片快恢复二极管（FRD）子模块（图6），采用双面散热和红外热像仪（FLIR）监测温度分布。
     
   • 功率脉冲测试：模拟1.5p.u.→3p.u.和1.5p.u.→5p.u.过流工况（对应单相/三相短路故障），对比传统结构与PCM集成结构的结温变化（图8）。
     

2. 有限元分析（FEA）

   • 建立包含接触热阻的模型，校准后提取热通量（heat flux）和PCM吸热功率（图9-10）。分析显示，PCM在3p.u.脉冲中吸收血小板60%的额外热量，5p.u.脉冲中因PCM量不足仅吸收38.3%（图11）。
     

主要结果
- 实验数据：PCM集成结构在3p.u.和5p.u.脉冲下分别降低结温上升5.6°C和10.5°C（图8）。
- FEA验证：PCM通过相变（phase change proportion达0.69）有效延缓热量扩散，但5p.u.脉冲下PCM在1.9秒后完全熔化，导致后期缓冲效果下降（图11b）。
- 热阻权衡：PCM的引入虽略微增加稳态热阻（初始结温升高），但通过扩大血小板截面积部分抵消。

结论与价值
- 科学价值：首次将PCM集成于压接式IGBT封装，证实其通过潜热吸收抑制瞬态温升的可行性，为电力电子器件的热设计提供新思路。
- 应用价值：提升电网逆变器在LVRT期间的短时过载能力，减少对辅助保护电路（如crowbar）的依赖，降低系统成本。

研究亮点
1. 创新结构：在血小板中集成PCM并采用螺纹封装，平衡快速响应与防泄漏需求（图5）。
2. 材料优化：铋基合金的高导热性（对比传统有机PCM的0.15-0.36 W/(m·K)）确保低热阻。
3. 多方法验证：结合实验与FEA，量化PCM在不同过流工况下的吸热效率。

未来方向
作者建议进一步优化PCM用量与血小板几何形状，并研究熔点温度对缓冲效果的影响，以适配更复杂的电网故障场景。

（注：全文约1500字，涵盖研究全流程及核心数据，符合学术报告要求。）