王 瑞

（寶雞文理學(xué)院物理系 721016)

0 前言

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是1980年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型的復(fù)合元件，它綜合了金氧半場(chǎng)效晶體管與雙極性晶體管的優(yōu)點(diǎn)，故具有高輸入阻抗，容易驅(qū)動(dòng)，切換速度快，低導(dǎo)通電壓降，及耐高壓與大電流等特性。目前其電壓與電流發(fā)展的等級(jí)已經(jīng)可以達(dá)到6500V/2400A，開(kāi)關(guān)切換時(shí)間40ns的，工作頻率40kHz的，且仍在持續(xù)進(jìn)中。這些優(yōu)越的特性使其成為大功率電力電子裝置的理想功率元件，在實(shí)際應(yīng)用上IGBT可應(yīng)用于不斷電系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)的馬達(dá)控制，工廠自動(dòng)化及機(jī)器人，如果元件的功率再大幅的提高，將可應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)及捷運(yùn)電聯(lián)車(chē)的控制使用上。然而，隨著功率的提升，過(guò)熱的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，于是造成了產(chǎn)品的可靠度降低以及壽命的減少，所以散熱問(wèn)題也成為功率元件的一大挑戰(zhàn)。因此為了保障其可靠性，IGBT的壽命預(yù)測(cè)技術(shù)成為IGBT的一個(gè)研究重點(diǎn)。

1 IGBT的物理特性

在IGBT元件未被發(fā)展以前，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器上的換流器部位所用的功率元件大多是采用BJT晶體管，但由于BJT的高切換損耗和不易驅(qū)動(dòng)及切換速度慢等的缺點(diǎn)，使得BJT的應(yīng)用受到了限制，所以在小功率的換流器，則有人采用功率MOSFET來(lái)替代功率晶體管，雖然功率MOSFET有許多優(yōu)點(diǎn)：例如切換頻率高，驅(qū)動(dòng)容易，正溫度系數(shù)適合并聯(lián)使用，但它也有許多的缺點(diǎn)：如耐壓低，電流小，導(dǎo)通電阻大，操作的工作范圍小，這些使得功率MOSFET一直很少真正用于換流器上。IGBT是結(jié)合了BJT和功率MOSFET的特性，所混合發(fā)展出來(lái)的一種新元件，其特性也就介于這兩種元件之間，輸入特性具有功率MOSFET的特點(diǎn)，使它驅(qū)動(dòng)容易，但由于元件混雜了功率晶體管，所以工作頻率卻又不及功率MOSFET的快速，而輸出特性具有功率晶體管的特性，具有耐高壓及大電流的特性，具有低導(dǎo)通電壓降，且切換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的功率應(yīng)用的范圍從幾仟瓦特到數(shù)百瓦特之間，這個(gè)范圍正適合于一般的變頻器所應(yīng)用的范圍，因此在功率元件選擇，功率晶體管以快速地被IGBT元件所取代。

2 IGBT壽命預(yù)測(cè)建模

2.1 建模分析

就模擬的目的而言，若只是要模擬一個(gè)系統(tǒng)的整個(gè)的響應(yīng)，如一個(gè)變頻器系統(tǒng)或一個(gè)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等等，顯然IGBT在切換過(guò)程中的暫態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)并無(wú)多大的影響，在這種情況下的系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)元件就可用一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)來(lái)代替即可。然而若是要模擬IGBT的切換動(dòng)作時(shí)，如驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)等等，那IGBT切換過(guò)程中的暫態(tài)變化便會(huì)顯得相當(dāng)重要。IGBT壽命預(yù)測(cè)建模主要有兩種，第一種模型根據(jù)IGBT元件的半導(dǎo)體參數(shù)所建立的模型，第二種模型由IGBT的外部特性所建立的模型。而模擬軟體在IGBT模型上提供了兩種選擇，給使用者依使用環(huán)境的不同來(lái)做選擇第一種方法是根據(jù)半導(dǎo)體物理的特性來(lái)建立IGBT的模型，將IGBT的物理模型表示成許多數(shù)學(xué)方程式，然后再用數(shù)值計(jì)算的方法以求得方程式的解。這類(lèi)的方法多半需要很多半導(dǎo)體與制程的參數(shù)，如載子濃度，通道長(zhǎng)度及寬度等等，這方面的資料若無(wú)元件制造廠商的提供使用者就無(wú)法得知，所以在使用上相當(dāng)?shù)穆闊?，但它能確實(shí)地將IGBT的電氣特性給整個(gè)表現(xiàn)出來(lái)，所以準(zhǔn)確性相當(dāng)?shù)馗?，而其所付出的代價(jià)就是模擬的時(shí)間長(zhǎng)。

2.2 損耗分析與建模

元件的功率損失主要可為兩個(gè)：

(1）當(dāng)功率元件在作能量傳遞時(shí)所產(chǎn)生的功率損耗時(shí)，我們稱(chēng)之為導(dǎo)通損失;

（2）當(dāng)功率元件在作開(kāi)、關(guān)切換動(dòng)作時(shí)所產(chǎn)生的功率損耗，我們稱(chēng)之為切換損失。圖2.1所示為換流器輸出的其中一橋，圖2.2中一個(gè)為輸出的相電壓和輸出的線電流比。

圖2.1 換流器輸出的一橋

我們可以利用2.1式來(lái)表示開(kāi)關(guān)元件的總損失為元件的導(dǎo)通損失與切換損失之和：

2.2.1 導(dǎo)通損失

由上可知，當(dāng)IGBT元件在作能量傳遞時(shí)所產(chǎn)生的能量損失，我們可以這樣地來(lái)表示之。

V（T）CE：IGBT的導(dǎo)通時(shí)的電壓降速。由IGBT的輸出特性曲線中可知，IGBT的導(dǎo)通時(shí)VCE兩端的電壓降速V（t）會(huì)與其電流成r倍的線性關(guān)系，故可以將導(dǎo)通電壓降表示為

I（T）：流經(jīng) IGBT 的輸出電流

T公司：IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)

T（T）為一 PWM 調(diào)變波

我們將導(dǎo)通時(shí)間等效表示為一時(shí)間，相角與調(diào)變指數(shù)的函數(shù)如2.4式所示：

其中將2.3，2.4式代入2.2式中計(jì)算，整理后得到2.5式，IGBT的導(dǎo)通損失的平均值

由以上兩個(gè)式子可知道IGBT的切換損失會(huì)視當(dāng)時(shí)切換的電壓，電流及時(shí)間函數(shù)有關(guān)。若開(kāi)關(guān)元件每次的切換延遲時(shí)間均假設(shè)是固定的，則將上式整理后可得2.8式。

3 IGBT模塊的壽命預(yù)測(cè)

為了模塊的選擇適當(dāng)，設(shè)計(jì)者們必須將功率、額定電流、工作溫度、電壓、輸出功率、損耗、頻率，穩(wěn)定性以及壽命、質(zhì)量、尺寸、售價(jià)等等各方面因素考慮進(jìn)去。為了確保系統(tǒng)在運(yùn)行期間的穩(wěn)定性，模塊壽命必須要比系統(tǒng)的預(yù)設(shè)壽命大。系統(tǒng)應(yīng)用中各模塊的壽命是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，其壽命不僅與模塊本身的質(zhì)量相關(guān)，還與其工作環(huán)境以及工作狀態(tài)有關(guān)，這些都會(huì)對(duì)模塊壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

3.1 利用功率循環(huán)中疊加效應(yīng)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)

PC 實(shí)驗(yàn)獲得各種ΔTj條件下的IGBT模塊的壽命，從這些數(shù)據(jù)中可以總結(jié)出來(lái)PC的壽命數(shù)學(xué)模型。實(shí)際使用中，一般來(lái)說(shuō)任何工作周期都得要?dú)v經(jīng)各種的循環(huán)過(guò)程，比如飛機(jī)在兩機(jī)場(chǎng)之間需要經(jīng)過(guò)啟動(dòng)、快速加速、起飛、爬坡、勻速飛行、下坡、減速、著陸、減速以及停止等各種的工作周期。在這些每個(gè)環(huán)節(jié)中模塊都會(huì)有功率和損耗且每個(gè)環(huán)節(jié)的功率和損耗不完全同，所以ΔTj亦不同。為了預(yù)測(cè)模塊能在多少個(gè)大的周期中穩(wěn)定運(yùn)行，就必須獲得在此大的周期內(nèi)每個(gè)PC周期具體數(shù)據(jù)。

3.2 雨流計(jì)數(shù)法

雨流法在疲勞估計(jì)和失效評(píng)估應(yīng)用的十分的廣泛，它通過(guò)逐個(gè)統(tǒng)計(jì)封閉的應(yīng)力---應(yīng)變遲滯曲線，代表材料應(yīng)力---應(yīng)對(duì)周?chē)兓^(guò)程導(dǎo)致的疲勞損耗。雨流法可以把一個(gè)具有許多應(yīng)力過(guò)程導(dǎo)致的應(yīng)變疲勞歸納為一系列相關(guān)的只含有某個(gè)應(yīng)力效果的應(yīng)變過(guò)程。利用Miner理論和雨流法，能夠預(yù)估出系統(tǒng)產(chǎn)品在各種工作條件下的疲勞壽命。為了直觀例舉一個(gè)列子來(lái)表述雨流法統(tǒng)計(jì)溫度循環(huán)的過(guò)程。工作過(guò)程中可能含有許多較小的ΔTj以及另一些大一點(diǎn)的ΔTj，一般來(lái)說(shuō)小ΔTj對(duì)模塊帶來(lái)的損耗很小，通常在分析時(shí)不予考慮。用LESIT 模型來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)模塊的壽命，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ΔTj＜8 K時(shí)的循環(huán)對(duì)模塊的壽命預(yù)測(cè)的作用可以忽略不計(jì)。這樣就能夠?qū)?fù)雜的溫度曲線等價(jià)于相對(duì)規(guī)則的曲線，利用雨流法來(lái)對(duì)溫度循環(huán)進(jìn)行計(jì)數(shù)，利用模型進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

綜合所述，IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)的整個(gè)過(guò)程可以用圖3.1來(lái)表示。影響預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的因素有許多，其中最初來(lái)的是預(yù)測(cè)模型、統(tǒng)計(jì)功耗計(jì)算的方式、熱阻模擬。

4 總結(jié)

本文在分析了IGBT特點(diǎn)、特性、物理結(jié)構(gòu)，以及建模方式的基礎(chǔ)上，從熱損耗方面對(duì)其壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，討論了壽命預(yù)測(cè)的理論依據(jù)，并詳細(xì)的對(duì)功率循環(huán)中疊加效應(yīng)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)、任務(wù)曲線、雨流計(jì)數(shù)法等來(lái)闡述了壽命預(yù)測(cè)的具體方式和流程。相信隨著技術(shù)的發(fā)展及數(shù)學(xué)理論的不斷引入更多先進(jìn)有效的方法會(huì)被引入到IGBT功率模塊壽命預(yù)測(cè)中來(lái)。

[1]楊旭. 基于飽和壓降測(cè)量的IGBT功率模塊狀態(tài)評(píng)估方法研究[D].重慶大學(xué),2012.

[2]魯光祝. IGBT功率模塊壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究[D].重慶大學(xué),2012.

[3]魯光祝,向大為. IGBT功率模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述[J].電力電子,2011,02：5-10.

[4]王彥剛,Chamund Dinesh,李世平,Jones Steve,竇澤春,忻蘭苑,劉國(guó)友. 功率IGBT模塊的壽命預(yù)測(cè)[J]. 機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2013,02：13-17+27.

[5]姚二現(xiàn),莊偉東,常海萍. IGBT模塊功率循環(huán)疲勞壽命預(yù)測(cè)[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2013,02：12-17.