[发明专利]一种IGBT模块状态评估与剩余寿命预测模型的构建方法

说明书

本发明涉及一种IGBT模块状态评估与剩余寿命预测模型的构建方法，包括以下步骤：通过试验测取不同老化程度下IGBT模块的电热参数；建立IGBT模块试验样本的平均结壳热阻变化率‑平均功率循环次数的函数模型以及平均饱和压降变化率‑平均功率循环次数的函数模型；根据上述函数模型对IGBT模块进行老化状态评估，以区间[0,1]上的一个实数表达IGBT的老化状态，得到状态评价结果；根据状态评估结果建立IGBT模块剩余寿命的计算模型。本发明根据功率循环加速老化试验建立电参数和热参数与功率循环次数的数学模型，该模型综合考虑电参数和热参数对评估结果的影响，弥补了单参数评估的不足，可精确地得到某结壳热阻和饱和压降条件下IGBT模块的老化状态。

技术领域

本发明属于电力电子器件技术领域，尤其是一种IGBT模块状态评估与剩余寿命预测模型的构建方法。

背景技术

IGBT功率模块是铁路、新能源和汽车等领域的核心功率器件，其安全可靠地运行是保障各行各业持续稳定发展的基础。但是，由于IGBT功率模块较脆弱，因此研究其状态评估与剩余寿命估算方法对其所在设备的可靠性具有重要作用。由于IGBT功率模块的结壳热阻可以表达焊料层的疲劳程度，饱和压降可以表达IGBT键合线的老化程度，因此，上述参数是表征IGBT功率模块的老化状态及其所在系统能否稳定运行的重要特征参数。在IGBT功率模块的老化进程中，其焊料层会出现疲劳且键合线会出现脱落，及时发现焊料层和键合线的老化程度有助于系统稳定可靠的运行。因此研究IGBT的结壳热阻和饱和压降与老化状态的关系具有重要意义。

目前，IGBT的状态评估方法主要有基于模型的状态评估法和基于电参数的状态评估法。

基于模型的状态评估法主要根据统计数据建立不同故障类型可靠性模型，评估IGBT模块不同部位，如焊料层、引线等的状态。目前研究比较成熟的为焊料层疲劳模型，对引线和DCB板的损伤研究虽取得部分成果，但仍需研究人员的不断努力。焊料层疲劳模型主要有：基于塑性应变的疲劳模型，例如Coffin-Manson疲劳模型和Engelmaier疲劳模型；基于能量的疲劳模型，例如Morrow提出的以应变能密度为参数的疲劳模型；基于断裂力学基础的疲劳模型，例如典型的Darveaux疲劳模型；基于蠕变应变的疲劳模型，例如Syed提出的热疲劳损伤寿命模型。基于模型的状态评估法能够掌握IGBT模块不同类型的故障，但由于模块故障类型较多，同时检测所有的故障类型要求检测系统包含的多种可靠性模型，实际操作比较困难。可靠性模型一般通过历史数据分析建立，当器件实际工况发生改变时，模型的精确度将大幅度降低。

基于电参数的状态评估法就是选取与IGBT模块老化相关的参数，例如饱和压降、结壳稳态热阻、开关时间、模块壳温以及门极信号等，并针对不同的特征参数确定相应的测量方法，进而通过监测电参数的值对模块老化状态进行评估。IGBT的饱和压降与模块老化程度紧密相关，但由于其受结温和集电极电流的影响，需要对测得的饱和压降进行归算，在相同条件下IGBT的饱和压降才有可比性，才能以此评估模块老化状态。结壳稳态热阻的变化反映模块焊接层疲劳老化程度；开关时间可以直接反映IGBT模块的老化状态，但由于IGBT开关时间非常短，这对测量设备分辨率的要求很高；IGBT模块的门极信号均随模块老化和结温变化而改变，但门极信号易受杂散参数的影响，使得测量不准确，且门极信号的测量对设备要求较高。

目前，IGBT的寿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参数是结温，根据结温的变化范围、均值等参数来对器件进行预测，但是此类方法在提取结温时，其准确性波动很大，且对器件的温度循环次数的提取要求较高。物理模型分析方法主要是利用实验方法，该方法对实验设备的精度要求较高，耗资较大，且需要了解IGBT模块内部结构和材料的特性，以及各种材料之间热膨胀系数不同造成的力学效应，实施起来较困难。

发明内容