IBGT功率模塊壽命預測技術研究.pdf

1、絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)作為功率開關器件，具有載流密度大、飽和壓降低等許多優(yōu)點，已廣泛應用于新能源發(fā)電、高壓輸電等諸多關鍵領域中。然而由于其長期工作在高電壓、大電流、高頻開關狀態(tài)等且運行環(huán)境復雜，IGBT功耗和結(jié)溫頻繁波動容易造成器件疲勞老化。目前國內(nèi)外對溫度循環(huán)引起的器件失效機理已進行了深入研究，在此基礎上正積極發(fā)展功率模塊壽命預測技術以提高變流器運行可靠性

2、。本文以IGBT功率模塊為研究對象，在模塊電熱建模、結(jié)溫評估、壽命預測等方面展開研究。
　　 首先，簡要介紹了IGBT器件的基本結(jié)構(gòu)和運行原理，詳細歸納和分析了IGBT功率模塊的兩類失效模式，并從熱機械疲勞的角度分析導致IGBT模塊鍵合引線脫落和焊接層老化失效的內(nèi)在物理機理，揭示了溫度是影響功率模塊可靠性的主要因素，為進一步利用電熱模型進行結(jié)溫評估以及實現(xiàn)模塊壽命預測提供理論依據(jù)。
　　 其次，根據(jù)壽命預測的要求并結(jié)合現(xiàn)

3、有電熱模型的優(yōu)缺點，充分借鑒現(xiàn)有模型建立了基于開關周期平均損耗的IGBT模塊電熱模型，該模型能夠反映器件損耗與結(jié)溫隨負載電流動態(tài)變化的過程且建模參數(shù)容易獲得、計算量小，通過與器件制造商提供軟件的仿真結(jié)果對比，驗證了該模型的正確性和有效性，為后續(xù)功率模塊的壽命預測奠定基礎。
　　 再次，為通過對模塊結(jié)溫合理、高效評估來實現(xiàn)模塊壽命預測，以Miner線性疲勞累積損傷理論和雨流計數(shù)法為基礎，確定了IGBT模塊壽命預測方法的總體思路，并

4、設計了用于IGBT模塊壽命預測的雨流計數(shù)法程序。然后，本文以某電動汽車用三相逆變器為例，將電熱仿真獲得的模塊“結(jié)溫-時間”曲線通過雨流計數(shù)法提取結(jié)溫載荷統(tǒng)計特征，結(jié)合疲勞損傷理論實現(xiàn)了模塊的壽命預測。
　　 最后，通過仿真研究，深入分析環(huán)境溫度、開關頻率等對IGBT功率模塊壽命的影響以及內(nèi)部狀態(tài)(焊接層老化)對壽命預測精確度的影響。結(jié)果表明：環(huán)境溫度的增加主要引起器件結(jié)溫均值增加，導致疲勞壽命降低；開關頻率增加主要導致器件結(jié)溫均