計及低強度熱載荷疲勞累積效應(yīng)的IGBT功率器件壽命模型研究.pdf

1、隨著我國新能源電力的規(guī)?；_發(fā)，新能源發(fā)電（包括風(fēng)電、光伏和海洋潮汐流發(fā)電等）裝機容量快速增長，對功率變流器的容量、效率和可靠性的要求越來越高。特別是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行條件惡劣，風(fēng)電變流器功率器件長期處于交變的疲勞載荷下，加速了材料和內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)的老化，導(dǎo)致故障率增高。因此提高變流器可靠性、降低設(shè)備故障風(fēng)險和運維成本顯得尤為迫切和重要，而提高變流器可靠性很大程度上依賴于較為準確的壽命評估模型。
　　近年來對半導(dǎo)體功率器件的可靠性和

2、壽命模型研究受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，主要在大熱載荷沖擊下進行加速老化試驗的基礎(chǔ)上建立壽命建模。而功率器件運行中實際承受的熱循環(huán)（結(jié)溫波動）一般為40 ℃左右，與基于70 ℃以上熱循環(huán)的加速老化壽命試驗相去甚遠?，F(xiàn)有的壽命模型不能有效反映低強度交變熱應(yīng)力沖擊對器件壽命的影響。因此需要突破傳統(tǒng)的加速老化壽命試驗方法，從熱應(yīng)力作用的實際機理出發(fā)，提出新的思路和壽命評估方法，建立更貼近實際情況的壽命模型。
　　本文針對目前國內(nèi)外普遍關(guān)注的難

3、題，即如何表征長期低強度熱應(yīng)力沖擊在器件壽命消耗中的作用，進行深入的理論分析和系列測試實驗研究。分析器件性能衰退和失效演化的過程，建立計及疲勞累積效應(yīng)、定量化描述持續(xù)小幅度溫度沖擊對IGBT器件熱疲勞壽命的作用效果的壽命評估模型。圍繞這一主題，本文展開了以下幾個方面的研究工作：
　?、俅罱üβ恃h(huán)試驗平臺，設(shè)計了不同應(yīng)力水平的極限載荷功率試驗，分析 IGBT模塊在大載荷下的失效過程，提取了不同失效方式的特征參數(shù)。通過分析Coffi

4、n-Manson模型缺點，建立了融入平均結(jié)溫作用的壽命模型。通過定量分析結(jié)溫差和平均結(jié)溫的作用強度，并與模塊物理失效過程進行比對，改進了Coffin-Manson-Arrhenius模型，通過對比分析表明了改進的Arrhenius模型精度更高。研究了在大載荷沖擊下（加速老化）IGBT模塊的失效機制，并證明了焊料層疲勞老化是主要的失效方式，為研究低強度熱載荷對器件壽命的影響提供了試驗基礎(chǔ)。
　　②建立了基于電-熱-機多物理場效應(yīng)分析

5、模型，分析了半導(dǎo)體功率模塊在不同運行條件下的溫度、瞬態(tài)熱應(yīng)力分布，尤其是器件焊料層故障下在裂縫尖端分析瞬態(tài)熱應(yīng)力的分布，并在相同平均結(jié)溫下定量分析了溫度波動范圍和應(yīng)力差的關(guān)系，為小載荷試驗的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。分析了不同載荷水平對不同老化程度（根據(jù)熱阻的增量判定）的影響規(guī)律，并驗證了試驗結(jié)果的可重復(fù)性，提取了模塊在不同載荷和失效程度下的熱阻退化率，為建立壽命模型提供數(shù)據(jù)支撐。通過數(shù)值仿真和系列試驗證明了低強度熱載荷對器件壽命的影響。
　

6、?、鄹鶕?jù)模塊失效過程中熱阻變化規(guī)律和器件退化的通用模型，提取了在大載荷沖擊下的熱阻退化指數(shù)，并在提取的小載荷失效信息的基礎(chǔ)上計算出小載荷影響下的退化指數(shù)，建立了退化指數(shù)計算模型。根據(jù)Coffin-Manson模型與退化指數(shù)模型建立了基于溫度循環(huán)的非線性疲勞累積損傷模型，以單一、多載荷曲線對模型進行驗證，結(jié)果表明所建壽命模型具有較好的精度，反映了長期低強度熱應(yīng)力作用機制，改進了現(xiàn)有的非線性疲勞累積模型。
　?、芡ㄟ^對模塊熱阻參數(shù)變化

7、過程及裂紋產(chǎn)生和擴展的演化過程分析，提出了基于小載荷作用機制的分段式疲勞累積損傷模型。其中在線性區(qū)采用 Miner線性累積模型，在非線性區(qū)融入大、小載荷在不同健康狀態(tài)下的作用效果，建立了累積增長率計算模型。并對模型進行驗證，結(jié)果表明模型精度較高。該模型反映了大幅度溫度沖擊和持續(xù)性小幅度溫度循環(huán)與壽命之間的關(guān)系，為功率器件的壽命預(yù)測和可靠性設(shè)計提供了新的方法。
　　⑤在隨機載荷下對壽命模型進行對比分析，表明所建立的壽命模型能提供更加

8、貼近實際的預(yù)測結(jié)果。通過分析不同條件下的壽命評估結(jié)果，總結(jié)出了載荷水平對模塊失效的作用范圍。在實際風(fēng)速變化影響下對雙饋電機機側(cè)變流器功率器件進行分析，結(jié)果表明環(huán)境溫度、開關(guān)頻率對器件壽命影響較大。
　　本文嘗試性的解決了業(yè)界普遍關(guān)注的問題：傳統(tǒng)的壽命模型不能反映長期低強度熱載荷產(chǎn)生的疲勞累積效應(yīng)，無法準確預(yù)測器件工作壽命。并定性、定量的分析了低強度載荷對器件壽命的影響，建立了反映長期低強度應(yīng)力作用下的疲勞累積效應(yīng)與 IGBT功率模