[发明专利]一种高压直流断路器用压接式IGBT器件使用寿命等效计算方法

说明书

本发明公开了功率半导体器件可靠性试验领域的一种高压直流断路器用压接式IGBT器件可靠性试验等效方法。具体包括利用多物理场仿真软件进行热、电、机械三物理场耦合仿真结果，得到持续时间一定时，不同电流水平下芯片结温温升与电流水平的关系，根据该关系可知试验电流与实际电流水平下器件的芯片温升；为建立不同电流水平下寿命之间的等效关系，选择温升作为等效量，并定义不同电流水平下温升差异量ΔT₁‑ΔT₂(℃)为较低电流水平下温升数值与较高电流水平下温升数值之间的差值；按照电子元器件寿命老化模型(10℃法则)，可得不同电流水平下温升差异ΔT₁‑ΔT₂(℃)与寿命关系表达式，根据该表达式，可通过试验电流I₁下的寿命N₁与温升差异ΔT₁‑ΔT₂(℃)求得实际电流I₂(A)下寿命N₂(次)。

技术领域

本发明属于功率半导体器件可靠性试验领域，涉及一种高压直流断路器用压接式IGBT器件使用寿命等效计算方法。

背景技术

柔性直流输电技术已成为现代电力输电技术中广为应用且灵活安全的一种输电技术。在柔性直流输电系统发生故障时，最为关键的部分就是高压直流断路器。其通常需要在几毫秒内非常快速地清除故障，并消耗存储在系统电感中的大量能量。

目前高压直流断路器的各种结构中，混合式高压直流断路器通态损耗低，切断故障时间短，成为当前柔性直流输电系统中较为常用的一种直流断路器。混合式高压直流断路器在关断线路故障电流时，其内部的压接式IGBT器件起到主要切断故障电流的作用。混合式高压直流断路器的故障电流为冲击电流，持续时间几毫秒，幅值为4-8倍额定工作电流。由于故障电流幅值大，故障电流在此过程中在压接式IGBT器件内部累积的热量将造成芯片上较大的温度升高。功率半导体器件发生的失效，多是由于过热导致的。利用有限元仿真的方法对压接式IGBT器件进行热、电、机械三个物理场耦合仿真可发现，不同故障电流波形所对应的温升幅度不同，通过温升与电流水平的拟合曲线，可以实现利用较低电流水平的试验电流进行可靠性试验等效计算实际故障电流水平下器件寿命。这里需要指出，器件寿命指器件失效前受到电流冲击的次数。

首先，发明人利用多物理场仿真软件进行热、电、机械三物理场耦合仿真结果，得到持续时间一定时，不同电流水平下芯片结温温升ΔT(单位为℃)与电流水平I(单位为A)的关系：ΔT＝1.21923+0.03032×I+1.76384×10^-4×I²。

其次，为建立不同电流水平下寿命之间的等效关系，选择仿真所得芯片结温变化曲线中结温最高值与初始环境温度之间的差值，即温升作为等效量，并定义不同电流水平下温升差异量ΔT₁-ΔT₂(单位为℃)为较低电流水平下温升数值与较高电流水平下温升数值之间的差值。定义不同电流水平下对应的寿命分别为N₁和N₂。

最后，按照电子元器件寿命老化模型(10℃法则)，可得不同电流水平下温度差异ΔT₁-ΔT₂与寿命关系表达式为

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高压直流断路器用压接式IGBT器件使用寿命等效计算方法，其特征是已知试验电流I₁下的寿命N₁,求解实际电流I₂下的寿命N₂，所述方法包括：

步骤1：用公式(1)求解电流I₁(单位为A)对应温升ΔT₁(单位为℃):

步骤2：用公式(2)求解电流I₂(单位为A)对应温升ΔT₂(单位为℃):