IBGT功率模塊壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡(jiǎn)稱IGBT)作為功率開關(guān)器件，具有載流密度大、飽和壓降低等許多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、高壓輸電等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域中。然而由于其長期工作在高電壓、大電流、高頻開關(guān)狀態(tài)等且運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，IGBT功耗和結(jié)溫頻繁波動(dòng)容易造成器件疲勞老化。目前國內(nèi)外對(duì)溫度循環(huán)引起的器件失效機(jī)理已進(jìn)行了深入研究，在此基礎(chǔ)上正積極發(fā)展功率模塊壽命預(yù)測(cè)技術(shù)以提高變流器運(yùn)行可靠性

2、。本文以IGBT功率模塊為研究對(duì)象，在模塊電熱建模、結(jié)溫評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)等方面展開研究。
　　 首先，簡(jiǎn)要介紹了IGBT器件的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，詳細(xì)歸納和分析了IGBT功率模塊的兩類失效模式，并從熱機(jī)械疲勞的角度分析導(dǎo)致IGBT模塊鍵合引線脫落和焊接層老化失效的內(nèi)在物理機(jī)理，揭示了溫度是影響功率模塊可靠性的主要因素，為進(jìn)一步利用電熱模型進(jìn)行結(jié)溫評(píng)估以及實(shí)現(xiàn)模塊壽命預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。
　　 其次，根據(jù)壽命預(yù)測(cè)的要求并結(jié)合現(xiàn)

3、有電熱模型的優(yōu)缺點(diǎn)，充分借鑒現(xiàn)有模型建立了基于開關(guān)周期平均損耗的IGBT模塊電熱模型，該模型能夠反映器件損耗與結(jié)溫隨負(fù)載電流動(dòng)態(tài)變化的過程且建模參數(shù)容易獲得、計(jì)算量小，通過與器件制造商提供軟件的仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的正確性和有效性，為后續(xù)功率模塊的壽命預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。
　　 再次，為通過對(duì)模塊結(jié)溫合理、高效評(píng)估來實(shí)現(xiàn)模塊壽命預(yù)測(cè)，以Miner線性疲勞累積損傷理論和雨流計(jì)數(shù)法為基礎(chǔ)，確定了IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)方法的總體思路，并

4、設(shè)計(jì)了用于IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)的雨流計(jì)數(shù)法程序。然后，本文以某電動(dòng)汽車用三相逆變器為例，將電熱仿真獲得的模塊“結(jié)溫-時(shí)間”曲線通過雨流計(jì)數(shù)法提取結(jié)溫載荷統(tǒng)計(jì)特征，結(jié)合疲勞損傷理論實(shí)現(xiàn)了模塊的壽命預(yù)測(cè)。
　　 最后，通過仿真研究，深入分析環(huán)境溫度、開關(guān)頻率等對(duì)IGBT功率模塊壽命的影響以及內(nèi)部狀態(tài)(焊接層老化)對(duì)壽命預(yù)測(cè)精確度的影響。結(jié)果表明：環(huán)境溫度的增加主要引起器件結(jié)溫均值增加，導(dǎo)致疲勞壽命降低；開關(guān)頻率增加主要導(dǎo)致器件結(jié)溫均