[发明专利]一种基于有限元仿真的IGBT状态监测方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元仿真的IGBT状态监测方法，其包括以下步骤：S1、获取IGBT模块Vce,on的历史数据；S2、建立键合线退化过程的失效物理模型；S3、建立键合线退化过程的状态空间方程；S4、通过参数学习算法确定Vce,on修正方程的未知量；S5、状态估计。本发明揭示了IGBT模块Vce,on的增加与键合线退化的关系，建立了IGBT模块键合线退化的精确模型，利用基于粒子的边缘重采样移动算法估算出当前裂纹长度，从而进行状态估计。从建立模型到算法实现，不需要进行大量的功率循环试验，与传统状态监测方法相比，降低了时间成本和经济成本，减小了监测误差，提高了IGBT的可靠性。

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种基于有限元仿真的IGBT状态监测方法。

背景技术

基于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的电力电子变换器广泛应用于现代工业中，包括风力发电机、电动汽车、电力传输系统等领域。电力电子变换器的可靠性问题也日益突出，电力电子元器件是系统的主要故障根源之一。从安全、经济的角度考虑，变换器的可靠性，特别是电力电子元器件的可靠性引起了人们的广泛关注。

封装故障是IGBT模块中最常见的故障之一，它是由于组件内部不同材料的热膨胀系数不匹配引起的。当IGBT运行时，会产生周期性的功率损耗，导致功率模块内部温度波动，显著的热机械应力将引入到不同材料层之间的接缝处，导致键合线和焊接接头会承受更高的热应力。在实际应用中，键合线的退化和焊料层疲劳是两个主要的失效机制，随着时间的推移，两者都会降低IGBT模块的性能，如果不采取适当的措施，最终会导致器件损坏，影响整个系统的运行和安全。

状态监测是提高IGBT可靠性的一种有效方法。状态监测主要是通过在线监测IGBT的参数指标，以了解IGBT的当前运行状况，一旦检测到不健康的状态或故障，将执行进一步的操作以避免灾难性的后果。

Vce,on(IGBT集电极和发射极之间的导通电压)是最常选择的参数，许多状态监测方法都基于此进行了研究。虽然现有技术取得了一定的成功，但也存在着一定的挑战，比如随着IGBT的老化，其管壳温度和焊料层的金属重构会对Vce,on的测量产生较大影响，如何减小这些影响是目前面临的难题。

发明内容

Vce,on是状态监测的良好指标，键合线是IGBT模块最容易损坏的部分之一，为了揭示IGBT模块Vce,on的增加与键合线退化状态的关系，以及估计IGBT的当前状态，本发明提出了一种基于有限元仿真的IGBT状态监测方法。该方法从建立模型到算法实现，不需要进行大量的功率循环试验，与传统的状态监测方法相比，降低了时间成本和经济成本，提高了IGBT的可靠性。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于有限元仿真的IGBT状态监测方法，其包括以下步骤：

S1、获取IGBT模块Vce,on的历史数据；

S2、建立键合线退化过程的失效物理模型；

S3、建立键合线退化过程的状态空间方程；

S4、通过参数学习算法确定Vce,on修正方程的未知量；

S5、状态估计。

进一步地，步骤S1的具体方法为：

建立数据采集单元，持续获取IGBT的Vce,on数据，并存储数据。

进一步地，步骤S2的具体方法为：

通过有限元仿真模拟，得到键合线Vce,on的增加与键合线裂纹长度之间的关系。

进一步地，步骤S3的具体方法包括以下子步骤：