IGBT功率模块寿命预测的研究与设计

王 瑞

（宝鸡文理学院物理系 721016)

0 前言

绝缘栅双极型晶体管IGBT是1980年代中期发展起来的一种新型的复合元件，它综合了金氧半场效晶体管与双极性晶体管的优点，故具有高输入阻抗，容易驱动，切换速度快，低导通电压降，及耐高压与大电流等特性。目前其电压与电流发展的等级已经可以达到6500V/2400A，开关切换时间40ns的，工作频率40kHz的，且仍在持续进中。这些优越的特性使其成为大功率电力电子装置的理想功率元件，在实际应用上IGBT可应用于不断电系统，空调系统的马达控制，工厂自动化及机器人，如果元件的功率再大幅的提高，将可应用于电动车及捷运电联车的控制使用上。然而，随着功率的提升，过热的问题也越来越严重，于是造成了产品的可靠度降低以及寿命的减少，所以散热问题也成为功率元件的一大挑战。因此为了保障其可靠性，IGBT的寿命预测技术成为IGBT的一个研究重点。

1 IGBT的物理特性

在IGBT元件未被发展以前，马达驱动器上的换流器部位所用的功率元件大多是采用BJT晶体管，但由于BJT的高切换损耗和不易驱动及切换速度慢等的缺点，使得BJT的应用受到了限制，所以在小功率的换流器，则有人采用功率MOSFET来替代功率晶体管，虽然功率MOSFET有许多优点：例如切换频率高，驱动容易，正温度系数适合并联使用，但它也有许多的缺点：如耐压低，电流小，导通电阻大，操作的工作范围小，这些使得功率MOSFET一直很少真正用于换流器上。IGBT是结合了BJT和功率MOSFET的特性，所混合发展出来的一种新元件，其特性也就介于这两种元件之间，输入特性具有功率MOSFET的特点，使它驱动容易，但由于元件混杂了功率晶体管，所以工作频率却又不及功率MOSFET的快速，而输出特性具有功率晶体管的特性，具有耐高压及大电流的特性，具有低导通电压降，且切换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的功率应用的范围从几仟瓦特到数百瓦特之间，这个范围正适合于一般的变频器所应用的范围，因此在功率元件选择，功率晶体管以快速地被IGBT元件所取代。

2 IGBT寿命预测建模

2.1 建模分析

就模拟的目的而言，若只是要模拟一个系统的整个的响应，如一个变频器系统或一个电力转换系统等等，显然IGBT在切换过程中的暂态变化对系统的响应并无多大的影响，在这种情况下的系统的开关元件就可用一个理想的开关来代替即可。然而若是要模拟IGBT的切换动作时，如驱动电路的设计等等，那IGBT切换过程中的暂态变化便会显得相当重要。IGBT寿命预测建模主要有两种，第一种模型根据IGBT元件的半导体参数所建立的模型，第二种模型由IGBT的外部特性所建立的模型。而模拟软体在IGBT模型上提供了两种选择，给使用者依使用环境的不同来做选择第一种方法是根据半导体物理的特性来建立IGBT的模型，将IGBT的物理模型表示成许多数学方程式，然后再用数值计算的方法以求得方程式的解。这类的方法多半需要很多半导体与制程的参数，如载子浓度，通道长度及宽度等等，这方面的资料若无元件制造厂商的提供使用者就无法得知，所以在使用上相当的麻烦，但它能确实地将IGBT的电气特性给整个表现出来，所以准确性相当地高，而其所付出的代价就是模拟的时间长。

2.2 损耗分析与建模

元件的功率损失主要可为两个：

(1）当功率元件在作能量传递时所产生的功率损耗时，我们称之为导通损失;

（2）当功率元件在作开、关切换动作时所产生的功率损耗，我们称之为切换损失。图2.1所示为换流器输出的其中一桥，图2.2中一个为输出的相电压和输出的线电流比。

图2.1 换流器输出的一桥

我们可以利用2.1式来表示开关元件的总损失为元件的导通损失与切换损失之和：

2.2.1 导通损失

由上可知，当IGBT元件在作能量传递时所产生的能量损失，我们可以这样地来表示之。

V（T）CE：IGBT的导通时的电压降速。由IGBT的输出特性曲线中可知，IGBT的导通时VCE两端的电压降速V（t）会与其电流成r倍的线性关系，故可以将导通电压降表示为

I（T）：流经 IGBT 的输出电流

T公司：IGBT的导通状态

T（T）为一 PWM 调变波

我们将导通时间等效表示为一时间，相角与调变指数的函数如2.4式所示：

其中将2.3，2.4式代入2.2式中计算，整理后得到2.5式，IGBT的导通损失的平均值

由以上两个式子可知道IGBT的切换损失会视当时切换的电压，电流及时间函数有关。若开关元件每次的切换延迟时间均假设是固定的，则将上式整理后可得2.8式。

3 IGBT模块的寿命预测

为了模块的选择适当，设计者们必须将功率、额定电流、工作温度、电压、输出功率、损耗、频率，稳定性以及寿命、质量、尺寸、售价等等各方面因素考虑进去。为了确保系统在运行期间的稳定性，模块寿命必须要比系统的预设寿命大。系统应用中各模块的寿命是一项非常关键的指标，其寿命不仅与模块本身的质量相关，还与其工作环境以及工作状态有关，这些都会对模块寿命产生严重的影响。

3.1 利用功率循环中叠加效应进行寿命预测

PC 实验获得各种ΔTj条件下的IGBT模块的寿命，从这些数据中可以总结出来PC的寿命数学模型。实际使用中，一般来说任何工作周期都得要历经各种的循环过程，比如飞机在两机场之间需要经过启动、快速加速、起飞、爬坡、匀速飞行、下坡、减速、着陆、减速以及停止等各种的工作周期。在这些每个环节中模块都会有功率和损耗且每个环节的功率和损耗不完全同，所以ΔTj亦不同。为了预测模块能在多少个大的周期中稳定运行，就必须获得在此大的周期内每个PC周期具体数据。

3.2 雨流计数法

雨流法在疲劳估计和失效评估应用的十分的广泛，它通过逐个统计封闭的应力---应变迟滞曲线，代表材料应力---应对周围变化过程导致的疲劳损耗。雨流法可以把一个具有许多应力过程导致的应变疲劳归纳为一系列相关的只含有某个应力效果的应变过程。利用Miner理论和雨流法，能够预估出系统产品在各种工作条件下的疲劳寿命。为了直观例举一个列子来表述雨流法统计温度循环的过程。工作过程中可能含有许多较小的ΔTj以及另一些大一点的ΔTj，一般来说小ΔTj对模块带来的损耗很小，通常在分析时不予考虑。用LESIT 模型来计算预测模块的寿命，统计发现，当ΔTj＜8 K时的循环对模块的寿命预测的作用可以忽略不计。这样就能够将复杂的温度曲线等价于相对规则的曲线，利用雨流法来对温度循环进行计数，利用模型进行寿命预测。

综合所述，IGBT模块寿命预测的整个过程可以用图3.1来表示。影响预测准确性的因素有许多，其中最初来的是预测模型、统计功耗计算的方式、热阻模拟。

4 总结

本文在分析了IGBT特点、特性、物理结构，以及建模方式的基础上，从热损耗方面对其寿命预测进行数学建模，讨论了寿命预测的理论依据，并详细的对功率循环中叠加效应进行寿命预测、任务曲线、雨流计数法等来阐述了寿命预测的具体方式和流程。相信随着技术的发展及数学理论的不断引入更多先进有效的方法会被引入到IGBT功率模块寿命预测中来。

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