IGBT功率模塊壽命預測的研究與設計

王 瑞

（寶雞文理學院物理系 721016)

0 前言

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是1980年代中期發(fā)展起來的一種新型的復合元件，它綜合了金氧半場效晶體管與雙極性晶體管的優(yōu)點，故具有高輸入阻抗，容易驅動，切換速度快，低導通電壓降，及耐高壓與大電流等特性。目前其電壓與電流發(fā)展的等級已經可以達到6500V/2400A，開關切換時間40ns的，工作頻率40kHz的，且仍在持續(xù)進中。這些優(yōu)越的特性使其成為大功率電力電子裝置的理想功率元件，在實際應用上IGBT可應用于不斷電系統(tǒng)，空調系統(tǒng)的馬達控制，工廠自動化及機器人，如果元件的功率再大幅的提高，將可應用于電動車及捷運電聯(lián)車的控制使用上。然而，隨著功率的提升，過熱的問題也越來越嚴重，于是造成了產品的可靠度降低以及壽命的減少，所以散熱問題也成為功率元件的一大挑戰(zhàn)。因此為了保障其可靠性，IGBT的壽命預測技術成為IGBT的一個研究重點。

1 IGBT的物理特性

在IGBT元件未被發(fā)展以前，馬達驅動器上的換流器部位所用的功率元件大多是采用BJT晶體管，但由于BJT的高切換損耗和不易驅動及切換速度慢等的缺點，使得BJT的應用受到了限制，所以在小功率的換流器，則有人采用功率MOSFET來替代功率晶體管，雖然功率MOSFET有許多優(yōu)點：例如切換頻率高，驅動容易，正溫度系數適合并聯(lián)使用，但它也有許多的缺點：如耐壓低，電流小，導通電阻大，操作的工作范圍小，這些使得功率MOSFET一直很少真正用于換流器上。IGBT是結合了BJT和功率MOSFET的特性，所混合發(fā)展出來的一種新元件，其特性也就介于這兩種元件之間，輸入特性具有功率MOSFET的特點，使它驅動容易，但由于元件混雜了功率晶體管，所以工作頻率卻又不及功率MOSFET的快速，而輸出特性具有功率晶體管的特性，具有耐高壓及大電流的特性，具有低導通電壓降，且切換的速度又大大地提升，直追功率MOSFET，且在承受短路的能力方面，更加超越了功率MOSFET。由于IGBT的功率應用的范圍從幾仟瓦特到數百瓦特之間，這個范圍正適合于一般的變頻器所應用的范圍，因此在功率元件選擇，功率晶體管以快速地被IGBT元件所取代。

2 IGBT壽命預測建模

2.1 建模分析

就模擬的目的而言，若只是要模擬一個系統(tǒng)的整個的響應，如一個變頻器系統(tǒng)或一個電力轉換系統(tǒng)等等，顯然IGBT在切換過程中的暫態(tài)變化對系統(tǒng)的響應并無多大的影響，在這種情況下的系統(tǒng)的開關元件就可用一個理想的開關來代替即可。然而若是要模擬IGBT的切換動作時，如驅動電路的設計等等，那IGBT切換過程中的暫態(tài)變化便會顯得相當重要。IGBT壽命預測建模主要有兩種，第一種模型根據IGBT元件的半導體參數所建立的模型，第二種模型由IGBT的外部特性所建立的模型。而模擬軟體在IGBT模型上提供了兩種選擇，給使用者依使用環(huán)境的不同來做選擇第一種方法是根據半導體物理的特性來建立IGBT的模型，將IGBT的物理模型表示成許多數學方程式，然后再用數值計算的方法以求得方程式的解。這類的方法多半需要很多半導體與制程的參數，如載子濃度，通道長度及寬度等等，這方面的資料若無元件制造廠商的提供使用者就無法得知，所以在使用上相當的麻煩，但它能確實地將IGBT的電氣特性給整個表現出來，所以準確性相當地高，而其所付出的代價就是模擬的時間長。

2.2 損耗分析與建模

元件的功率損失主要可為兩個：

(1）當功率元件在作能量傳遞時所產生的功率損耗時，我們稱之為導通損失;

（2）當功率元件在作開、關切換動作時所產生的功率損耗，我們稱之為切換損失。圖2.1所示為換流器輸出的其中一橋，圖2.2中一個為輸出的相電壓和輸出的線電流比。

圖2.1 換流器輸出的一橋

我們可以利用2.1式來表示開關元件的總損失為元件的導通損失與切換損失之和：

2.2.1 導通損失

由上可知，當IGBT元件在作能量傳遞時所產生的能量損失，我們可以這樣地來表示之。

V（T）CE：IGBT的導通時的電壓降速。由IGBT的輸出特性曲線中可知，IGBT的導通時VCE兩端的電壓降速V（t）會與其電流成r倍的線性關系，故可以將導通電壓降表示為

I（T）：流經 IGBT 的輸出電流

T公司：IGBT的導通狀態(tài)

T（T）為一 PWM 調變波

我們將導通時間等效表示為一時間，相角與調變指數的函數如2.4式所示：

其中將2.3，2.4式代入2.2式中計算，整理后得到2.5式，IGBT的導通損失的平均值

由以上兩個式子可知道IGBT的切換損失會視當時切換的電壓，電流及時間函數有關。若開關元件每次的切換延遲時間均假設是固定的，則將上式整理后可得2.8式。

3 IGBT模塊的壽命預測

為了模塊的選擇適當，設計者們必須將功率、額定電流、工作溫度、電壓、輸出功率、損耗、頻率，穩(wěn)定性以及壽命、質量、尺寸、售價等等各方面因素考慮進去。為了確保系統(tǒng)在運行期間的穩(wěn)定性，模塊壽命必須要比系統(tǒng)的預設壽命大。系統(tǒng)應用中各模塊的壽命是一項非常關鍵的指標，其壽命不僅與模塊本身的質量相關，還與其工作環(huán)境以及工作狀態(tài)有關，這些都會對模塊壽命產生嚴重的影響。

3.1 利用功率循環(huán)中疊加效應進行壽命預測

PC 實驗獲得各種ΔTj條件下的IGBT模塊的壽命，從這些數據中可以總結出來PC的壽命數學模型。實際使用中，一般來說任何工作周期都得要歷經各種的循環(huán)過程，比如飛機在兩機場之間需要經過啟動、快速加速、起飛、爬坡、勻速飛行、下坡、減速、著陸、減速以及停止等各種的工作周期。在這些每個環(huán)節(jié)中模塊都會有功率和損耗且每個環(huán)節(jié)的功率和損耗不完全同，所以ΔTj亦不同。為了預測模塊能在多少個大的周期中穩(wěn)定運行，就必須獲得在此大的周期內每個PC周期具體數據。

3.2 雨流計數法

雨流法在疲勞估計和失效評估應用的十分的廣泛，它通過逐個統(tǒng)計封閉的應力---應變遲滯曲線，代表材料應力---應對周圍變化過程導致的疲勞損耗。雨流法可以把一個具有許多應力過程導致的應變疲勞歸納為一系列相關的只含有某個應力效果的應變過程。利用Miner理論和雨流法，能夠預估出系統(tǒng)產品在各種工作條件下的疲勞壽命。為了直觀例舉一個列子來表述雨流法統(tǒng)計溫度循環(huán)的過程。工作過程中可能含有許多較小的ΔTj以及另一些大一點的ΔTj，一般來說小ΔTj對模塊帶來的損耗很小，通常在分析時不予考慮。用LESIT 模型來計算預測模塊的壽命，統(tǒng)計發(fā)現，當ΔTj＜8 K時的循環(huán)對模塊的壽命預測的作用可以忽略不計。這樣就能夠將復雜的溫度曲線等價于相對規(guī)則的曲線，利用雨流法來對溫度循環(huán)進行計數，利用模型進行壽命預測。

綜合所述，IGBT模塊壽命預測的整個過程可以用圖3.1來表示。影響預測準確性的因素有許多，其中最初來的是預測模型、統(tǒng)計功耗計算的方式、熱阻模擬。

4 總結

本文在分析了IGBT特點、特性、物理結構，以及建模方式的基礎上，從熱損耗方面對其壽命預測進行數學建模，討論了壽命預測的理論依據，并詳細的對功率循環(huán)中疊加效應進行壽命預測、任務曲線、雨流計數法等來闡述了壽命預測的具體方式和流程。相信隨著技術的發(fā)展及數學理論的不斷引入更多先進有效的方法會被引入到IGBT功率模塊壽命預測中來。

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