一種基于損傷電壓的igbt模塊狀態(tài)評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及IGBT模塊狀態(tài)評(píng)估和器件可靠性領(lǐng)域，尤其是一種基于損傷電壓的IGBT模塊狀態(tài)評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣棚.雙極型晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor，簡(jiǎn)稱IGBT)以其輸入阻抗高、控制電路簡(jiǎn)單、載流密度大、開關(guān)速度快、飽和壓降低等優(yōu)點(diǎn)，已成為了現(xiàn)代電力電子領(lǐng)域的代表性器件，近年來，絕緣柵雙極型晶體管的廣泛應(yīng)用，已將電力電子技術(shù)帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代。隨著功率半導(dǎo)體新結(jié)構(gòu)和新工藝的應(yīng)用，IGBT功率模塊的載流密度和電壓水平正在不斷的提高，損耗也隨之迅速升高，體積卻相對(duì)減小，所以運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的熱載荷，如今熱問題已是IGBT模塊失效故障主要影響因素。
[0003]IGBT模塊剩余使用壽命評(píng)估的難點(diǎn)在于如何根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行情況繪制出IGBT模塊的應(yīng)力載荷譜(應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系)并結(jié)合疲勞強(qiáng)度理論對(duì)IGBT模塊進(jìn)行損傷狀態(tài)評(píng)估。傳統(tǒng)上基于簡(jiǎn)化模型的解析法和僅考慮部件靜強(qiáng)度評(píng)估的研究方法已無法提供更為精確的定量分析和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以往的研究方法和缺陷如下:
[0004](I)、根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)提出的狀態(tài)評(píng)估方法:
[0005]這類方法主要是利用加速疲勞試驗(yàn)對(duì)IGBT模塊的剩余壽命進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)得出IGBT模塊在功率循環(huán)作用下的集射極電壓。認(rèn)為集射極電壓大于初始值的20%為壽命終點(diǎn)，這種分析方法是通過試驗(yàn)得到的，能夠通過集射極電壓對(duì)某一具體分析對(duì)象的狀態(tài)做出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。但是試驗(yàn)法只能針對(duì)特定的對(duì)象進(jìn)行，不具有普適性，所需時(shí)間和花費(fèi)較大，通常也只能考慮IGBT模塊單一運(yùn)行工況下的壽命，并且沒有排除電流和溫度對(duì)集射極電壓的影響，所以當(dāng)結(jié)溫變化、負(fù)荷變化大的IGBT模塊來說，很難對(duì)其損傷狀態(tài)做出正確評(píng)估。
[0006](2)、根據(jù)疲勞壽命統(tǒng)計(jì)理論的解析法分析:
[0007]這類方法被稱為解析法，認(rèn)為功率器件的壽命依賴于溫度參數(shù)，如溫度變化范圍、持續(xù)時(shí)間、頻率、平均值等。對(duì)于解析模型，存在的主要問題是很難精確地從溫度-時(shí)間歷程中提取溫度循環(huán)次數(shù)。通常采用統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)法來提取溫度幅值循環(huán)次數(shù)和均值循環(huán)次數(shù)，然后應(yīng)用相關(guān)損傷累積理論計(jì)算離線功率器件的損傷度和壽命。然后根據(jù)使用壽命評(píng)估IGBT模塊的狀態(tài)，但是這種方法只能針對(duì)特定的對(duì)象進(jìn)行，不具有普適性，所需時(shí)間和花費(fèi)較大，通常也只能考慮IGBT模塊單一工況，對(duì)于具有外界散熱條件變化、負(fù)荷變化的復(fù)雜工況下的IGBT器件來說，很難對(duì)其剩余使用壽命作出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
[0008](3)、基于多物理場(chǎng)耦合分析的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法:
[0009]Tuan-Yu Hung等人利用親合場(chǎng)計(jì)算對(duì)功率小循環(huán)下的IGBT模塊進(jìn)行了分析?？紤]了 IGBT模塊在長(zhǎng)期承受交變熱機(jī)械應(yīng)力情況下，對(duì)IGBT模塊疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估。但對(duì)S-N曲線的獲得，未結(jié)合IGBT模塊實(shí)際的工藝情況，只是認(rèn)為疲勞形成開始即為壽命終點(diǎn)，這對(duì)于器件的利用存在很大浪費(fèi)，并防止數(shù)值仿真與IGBT模塊實(shí)際運(yùn)行情況不可能完全擬合，所以無法滿足IGBT模塊的狀態(tài)評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于損傷電壓的IGBT模塊狀態(tài)評(píng)估方法，將功率器件未曾考慮多工況對(duì)疲勞失效作用；以及對(duì)S-N曲線進(jìn)行修正并用于IGBT模塊損傷狀態(tài)評(píng)估，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)損傷狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估。
[0011 ]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0012]一種基于損傷電壓的IGBT模塊狀態(tài)評(píng)估方法，包括以下步驟:
[0013]步驟I)、電熱親合計(jì)算:通過電熱親合場(chǎng)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算所需的激勵(lì)源輸入，即溫升；
[0014]步驟2)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算:在考慮步驟I)計(jì)算出的溫升，設(shè)置各部分的熱膨脹系數(shù)，求得溫升作用下產(chǎn)生的熱應(yīng)力/應(yīng)變分布；
[0015]步驟3)、繪制修正后的S-N曲線:通過對(duì)IGBT模塊材料進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，得到部件承受的交變應(yīng)力/應(yīng)變與斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系，即基本S-N曲線，在此基礎(chǔ)上，考慮實(shí)際加工做的工藝處理，對(duì)基本S-N曲線進(jìn)行修正，得到修正后的S-N曲線；
[0016]步驟4)、通過修正后的S-N曲線和電-熱-結(jié)構(gòu)場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，以及功率循環(huán)次數(shù)對(duì)IGBT模塊模型進(jìn)行修正；
[0017]步驟5)、對(duì)修正后的模型進(jìn)行電熱耦合分析，計(jì)算不同損傷程度下的IGBT模塊的損傷電壓，從而得到IGBT模塊的損傷電壓曲線，S卩IGBT模塊的狀態(tài)評(píng)估模型。
[0018]步驟I)的計(jì)算方法為:
[0019]1-1)、建立適合分析IGBT模塊電-熱-結(jié)構(gòu)-疲勞分析的模型；
[0020]1-2)、對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分；
[0021]1-3)、電熱耦合求解，得到結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算所需的激勵(lì)源輸入，即溫升。
[0022]步驟3)中，根據(jù)IGBT模塊工藝處理情況，得出影響焊料層和鍵合引線的影響因子，結(jié)合影響因子對(duì)基本S-N曲線進(jìn)行修正，得到修正后的S-N曲線。
[0023]本發(fā)明一種基于損傷電壓的IGBT模塊狀態(tài)評(píng)估方法，針對(duì)IGBT模塊服役中存在交變應(yīng)力集中易發(fā)生疲勞損傷的現(xiàn)象，提出了一套完整的損傷狀態(tài)評(píng)估方法。多物理場(chǎng)耦合分析有限元數(shù)值分析可以得到在線監(jiān)測(cè)手段難以得到的IGBT模塊內(nèi)部各處在不同時(shí)刻、不同工況下的溫度和應(yīng)力應(yīng)變等情況。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合鍵合引線和焊料的疲勞特性，對(duì)IGBT模型進(jìn)行修正，計(jì)算不同損傷狀態(tài)下的IGBT模塊的損傷電壓，能夠闡明其熱疲勞破壞機(jī)理，實(shí)現(xiàn)IGBT模塊安全穩(wěn)定運(yùn)行并制定檢修策略。功率器件狀態(tài)評(píng)估方法由來已久，但在功率器件尚未出現(xiàn)排除電流和溫度的影響以及對(duì)S-N曲線進(jìn)行修正并用于損傷模型修正上;本方法還適用于其它工作情況類似的器件上，例如MOSFET管、晶閘管、二極管等，這些器件都可能因受到交變的熱應(yīng)力影響而出現(xiàn)疲勞破壞，從而得到不同程度的損傷電壓。
【附圖說明】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0025]圖1為本發(fā)明IGBT模塊材料S-N曲線示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的模型無損傷時(shí)的溫度分布云圖。
[0027]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的模型無損傷時(shí)的電勢(shì)分布云圖。
[0028]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的模型無損傷時(shí)不同電流溫度下的集射極。
[0029]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的鍵合引線應(yīng)力分布云圖。
[0030]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的焊料層應(yīng)力分布云圖。
[0031 ]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的模型有損傷時(shí)的溫度分布云圖。
[0032]圖8為本發(fā)明實(shí)施例的模型有損傷時(shí)的電勢(shì)分布云圖。
[0033 ]圖9為本發(fā)明實(shí)施例的損傷電壓變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]一種基于損傷電壓的IGBT模塊狀態(tài)評(píng)估方法，包括以下步驟:
[0035]步驟I)、電熱親合計(jì)算:通過電熱親合場(chǎng)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算所需的激勵(lì)源輸入，即溫升；
[0036]步驟2)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算:在考慮步驟I)計(jì)算出的溫升，設(shè)置各部分的熱膨脹系數(shù)，求得溫升作用下產(chǎn)生的熱應(yīng)力/應(yīng)變分布；
[0037]步驟3)、繪制修正后的S-N曲線:通過對(duì)IGBT模塊材料進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，得到部件承受的交變應(yīng)力/應(yīng)變與斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系，即基本S-N曲線，在此基礎(chǔ)上，考慮實(shí)際加工做的工藝處理，對(duì)基本S-N曲線進(jìn)行修正，得到修正后的S-N曲線；
[0038]步驟4)、通過修正后的S-N曲線和電-熱-結(jié)構(gòu)場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，以及功率循環(huán)次數(shù)對(duì)IGBT模塊模型進(jìn)行修正；
[0039]步驟5)、對(duì)修正后的模型進(jìn)行電熱耦合分析，計(jì)算不同損傷程度下