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IGBT功率模块寿命预测技术研究

鲁光祝  
【摘要】:绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)作为功率开关器件,具有载流密度大、饱和压降低等许多优点,已广泛应用于新能源发电、高压输电等诸多关键领域中。然而由于其长期工作在高电压、大电流、高频开关状态等且运行环境复杂,IGBT功耗和结温频繁波动容易造成器件疲劳老化。目前国内外对温度循环引起的器件失效机理已进行了深入研究,在此基础上正积极发展功率模块寿命预测技术以提高变流器运行可靠性。本文以IGBT功率模块为研究对象,在模块电热建模、结温评估、寿命预测等方面展开研究。 首先,简要介绍了IGBT器件的基本结构和运行原理,详细归纳和分析了IGBT功率模块的两类失效模式,并从热机械疲劳的角度分析导致IGBT模块键合引线脱落和焊接层老化失效的内在物理机理,揭示了温度是影响功率模块可靠性的主要因素,为进一步利用电热模型进行结温评估以及实现模块寿命预测提供理论依据。 其次,根据寿命预测的要求并结合现有电热模型的优缺点,充分借鉴现有模型建立了基于开关周期平均损耗的IGBT模块电热模型,该模型能够反映器件损耗与结温随负载电流动态变化的过程且建模参数容易获得、计算量小,通过与器件制造商提供软件的仿真结果对比,验证了该模型的正确性和有效性,为后续功率模块的寿命预测奠定基础。 再次,为通过对模块结温合理、高效评估来实现模块寿命预测,以Miner线性疲劳累积损伤理论和雨流计数法为基础,确定了IGBT模块寿命预测方法的总体思路,并设计了用于IGBT模块寿命预测的雨流计数法程序。然后,本文以某电动汽车用三相逆变器为例,将电热仿真获得的模块“结温-时间”曲线通过雨流计数法提取结温载荷统计特征,结合疲劳损伤理论实现了模块的寿命预测。 最后,通过仿真研究,深入分析环境温度、开关频率等对IGBT功率模块寿命的影响以及内部状态(焊接层老化)对寿命预测精确度的影响。结果表明:环境温度的增加主要引起器件结温均值增加,导致疲劳寿命降低;开关频率增加主要导致器件结温均值和幅值均增加,导致器件疲劳寿命降低;而寿命预测过程中忽略焊接层疲劳老化将导致结温估算误差,从而进一步引起寿命预测结果出现明显误差。因此,有必要研究相关方法以提高寿命预测精确度。 本文在IGBT功率模块电热模型建模、疲劳损伤分析和寿命预测等方面开展了一些探索性研究,对IGBT模块电热设计、可靠性评估以及在线寿命预测等方面具有一定的参考价值。


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