[發明專利]一種IGBT模塊狀態評估與剩余壽命預測模型的構建方法

有效

• 申請號: 201811034458.3
• 申請日: 2018-09-06
• 公開（公告）號: CN109188232B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 李玲玲;齊福東;李志剛;劉伯穎;羅澤峰;張絲嘉
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王利文

本發明涉及一種IGBT模塊狀態評估與剩余壽命預測模型的構建方法，包括以下步驟：通過試驗測取不同老化程度下IGBT模塊的電熱參數；建立IGBT模塊試驗樣本的平均結殼熱阻變化率?平均功率循環次數的函數模型以及平均飽和壓降變化率?平均功率循環次數的函數模型；根據上述函數模型對IGBT模塊進行老化狀態評估，以區間[0,1]上的一個實數表達IGBT的老化狀態，得到狀態評價結果；根據狀態評估結果建立IGBT模塊剩余壽命的計算模型。本發明根據功率循環加速老化試驗建立電參數和熱參數與功率循環次數的數學模型，該模型綜合考慮電參數和熱參數對評估結果的影響，彌補了單參數評估的不足，可精確地得到某結殼熱阻和飽和壓降條件下IGBT模塊的老化狀態。

技術領域

本發明屬于電力電子器件技術領域，尤其是一種IGBT模塊狀態評估與剩余壽命預測模型的構建方法。

背景技術

IGBT功率模塊是鐵路、新能源和汽車等領域的核心功率器件，其安全可靠地運行是保障各行各業持續穩定發展的基礎。但是，由于IGBT功率模塊較脆弱，因此研究其狀態評估與剩余壽命估算方法對其所在設備的可靠性具有重要作用。由于IGBT功率模塊的結殼熱阻可以表達焊料層的疲勞程度，飽和壓降可以表達IGBT鍵合線的老化程度，因此，上述參數是表征IGBT功率模塊的老化狀態及其所在系統能否穩定運行的重要特征參數。在IGBT功率模塊的老化進程中，其焊料層會出現疲勞且鍵合線會出現脫落，及時發現焊料層和鍵合線的老化程度有助于系統穩定可靠的運行。因此研究IGBT的結殼熱阻和飽和壓降與老化狀態的關系具有重要意義。

目前，IGBT的狀態評估方法主要有基于模型的狀態評估法和基于電參數的狀態評估法。

基于模型的狀態評估法主要根據統計數據建立不同故障類型可靠性模型，評估IGBT模塊不同部位，如焊料層、引線等的狀態。目前研究比較成熟的為焊料層疲勞模型，對引線和DCB板的損傷研究雖取得部分成果，但仍需研究人員的不斷努力。焊料層疲勞模型主要有：基于塑性應變的疲勞模型，例如Coffin-Manson疲勞模型和Engelmaier疲勞模型；基于能量的疲勞模型，例如Morrow提出的以應變能密度為參數的疲勞模型；基于斷裂力學基礎的疲勞模型，例如典型的Darveaux疲勞模型；基于蠕變應變的疲勞模型，例如Syed提出的熱疲勞損傷壽命模型。基于模型的狀態評估法能夠掌握IGBT模塊不同類型的故障，但由于模塊故障類型較多，同時檢測所有的故障類型要求檢測系統包含的多種可靠性模型，實際操作比較困難。可靠性模型一般通過歷史數據分析建立，當器件實際工況發生改變時，模型的精確度將大幅度降低。

基于電參數的狀態評估法就是選取與IGBT模塊老化相關的參數，例如飽和壓降、結殼穩態熱阻、開關時間、模塊殼溫以及門極信號等，并針對不同的特征參數確定相應的測量方法，進而通過監測電參數的值對模塊老化狀態進行評估。IGBT的飽和壓降與模塊老化程度緊密相關，但由于其受結溫和集電極電流的影響，需要對測得的飽和壓降進行歸算，在相同條件下IGBT的飽和壓降才有可比性，才能以此評估模塊老化狀態。結殼穩態熱阻的變化反映模塊焊接層疲勞老化程度；開關時間可以直接反映IGBT模塊的老化狀態，但由于IGBT開關時間非常短，這對測量設備分辨率的要求很高；IGBT模塊的門極信號均隨模塊老化和結溫變化而改變，但門極信號易受雜散參數的影響，使得測量不準確，且門極信號的測量對設備要求較高。

目前，IGBT的壽命估算方法主要包括解析模型和物理模型。解析模型分析方法的主要參數是結溫，根據結溫的變化范圍、均值等參數來對器件進行預測，但是此類方法在提取結溫時，其準確性波動很大，且對器件的溫度循環次數的提取要求較高。物理模型分析方法主要是利用實驗方法，該方法對實驗設備的精度要求較高，耗資較大，且需要了解IGBT模塊內部結構和材料的特性，以及各種材料之間熱膨脹系數不同造成的力學效應，實施起來較困難。

發明內容