[發明專利]一種基于仿真建模和短時試驗的IGBT間歇壽命試驗方法

在審

• 申請號: 201610841604.8
• 申請日: 2016-09-22
• 公開（公告）號: CN107861040A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 付桂翠;程禹;萬博;姜貿公
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26;G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

(一)技術領域：

本發明提供了一種基于仿真建模和短時試驗的IGBT間歇壽命試驗方法，該方法綜合合考慮散熱條件、參數控制方法、功率大小、溫度范圍、安全工作區域和失效機理等因素，預選出若干套間歇壽命試驗方案，通過進行短時的功率循環試驗獲得器件在單循環中的升降溫時間，借助仿真方法得到器件失效前功率循環次數，預估各預選方案的實際功率循環試驗時間，進而優選得到最佳的間歇壽命試驗方案。此方法屬于功率器件可靠性評價技術領域。

(二)背景技術：

IGBT作為功率半導體器件第三次技術革命的代表性產品，廣泛應用于智能電網、軌道交通、船舶驅動、新能源汽車、航空航天等戰略性產業領域。它的故障會直接造成電力系統、供電電源或者被驅動電機等的故障或失效，所以IGBT可靠性是器件制造商和系統應用者密切關注的問題。

為了評估IGBT器件的可靠性和壽命，通常進行加速壽命試驗，如功率循環(PC：Power Cycling)和溫度循環(TC：Temperature Cycling)試驗。IGBT間歇壽命試驗是周期性控制器件的導通和關斷，本質上屬于功率循環試驗，可用于IGBT可靠性評價和壽命模型研究中，是評價功率器件可靠性的重要方法。國內外學者經過長期研究和摸索試驗，在IGBT功率器件的功率循環試驗方法的研究上取得了一定的成果。其中，德國的開姆尼茨工業大學研究了功率循環試驗中采用不同的參數控制方法對試驗結果的影響，ABB公司研究了大功率IGBT模塊下不同鍵合工藝對器件循環壽命的影響，馬里蘭大學的CALCE中心研究了IGBT退化失效下應監測的狀態參數。但目前現行標準中對間歇壽命試驗的通用方法進行粗略規定，現有的IGBT詳細規范中也未針對其實際結構與工藝條件進行科學的、系統的分析與驗證。

本專利申請以仿真建模和短時試驗為基礎，提出了一種綜合考慮間歇壽命試驗中的關鍵試驗條件參數、器件安全工作區及失效機理的IGBT間歇壽命試驗方法，提高了該項試驗具體條件參數選取的準確性和有效性。

(三)發明內容：

1、目的：本發明的目的是提供一種基于仿真建模和短時試驗的IGBT間歇壽命試驗方法，該方法綜合考慮了關鍵試驗條件參數、器件安全工作區及失效機理，能有效提高間歇壽命試驗具體條件參數選取的準確性和有效性。

2、技術方案：本發明一種基于真建模和短時試驗的IGBT間歇壽命試驗方法，它包括如下步驟：

步驟一：確定散熱條件

在間歇壽命試驗方案設計階段，首先，確定試驗中使用的散熱條件，包括散熱器規格、環境散熱條件等。IGBT間歇壽命試驗中，散熱條件影響器件結溫變化范圍、升降溫速率，進而影響壽命試驗時間。在散熱器方面，熱阻越小，散熱性能越好，散熱器的熱阻除了與散熱器材料有關之外，還與散熱器的形狀、尺寸大小以及安裝方式有關。隨著散熱器散熱能力的增加，器件升溫時間增長、降溫時間縮短，因此在進行IGBT間歇壽命試驗之前，需要對所選散熱器進行短時升降溫試驗，確定特定條件下試驗時間最短的散熱器。IGBT間歇壽命試驗是隨著結被加熱和冷卻使殼溫明顯地升高和下降，因此在間歇壽命試驗的散熱片選取上盡量使用較小的散熱器。在環境散熱條件方面，可在不加功率時間內采取強迫風冷，加快器件冷卻速率，減少壽命循環時間。

步驟二：確定參數控制方法

對IGBT間歇壽命試驗的不同參數控制方案在相同結溫下的結果如表1所示。

表1 不同的IGBT間歇壽命試驗參數控制方案

在試驗初始階段將器件的功率、最低結溫、最高結溫設定為設計值，在循環試驗中控制升降溫時間為常數，隨著循環次數的增加，器件功率、溫度變化范圍會發生偏移，導致結溫溫差ΔT不斷增加。該方案即方案一最為嚴酷，但也與實際應用情況最接近，在IGBT間歇壽命試驗的條件控制方案中建議優先選擇該方案，其他試驗方案可酌情選擇。

步驟三：確定失效判據

在間歇壽命試驗中，可以監測熱阻R_th或導通壓降V_CE,on相對初始值的增加作為其失效判據，如表2所示。在間歇壽命試驗中可根據試驗條件適當選取被監測參數。在間歇壽命試驗中，為了方便在線監測，通常選取導通壓降V_CE,on為被監測參數。

表2 IGBT功率循環試驗中可參考的失效判據

步驟四：確定器件功率大小和結溫控制范圍

根據器件規格選取不同的器件施加功率m種和結溫控制范圍n種，組合產生m*n套初步的試驗方案。