張亞玲，李志剛

（河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130）

基于加速老化試驗(yàn)的IGBT壽命預(yù)測(cè)模型研究

張亞玲，李志剛

（河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）在工作過(guò)程中經(jīng)常要承受過(guò)熱和較大的溫度波動(dòng)，當(dāng)熱損傷達(dá)到一定程度時(shí)，模塊極有可能出現(xiàn)失效，這會(huì)給電力系統(tǒng)造成巨大的危害。如果能根據(jù)壽命預(yù)測(cè)模型提前預(yù)估模塊的壽命，便可以在模塊即將失效之前進(jìn)行更換，從而避免模塊突然失效帶來(lái)的損失。因此，考慮在檢測(cè)模塊殼溫的條件下進(jìn)行IGBT的溫度循環(huán)試驗(yàn)，研究工況中易獲得的殼溫與IGBT壽命的關(guān)系模型。在已有壽命模型的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的壽命預(yù)測(cè)模型，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證準(zhǔn)確度更高。

絕緣柵雙極型晶體管；溫度循環(huán)；壽命預(yù)測(cè)模型

在智能電網(wǎng)建設(shè)的大背景下，IGBT作為新型電力電子器件的典型代表，在智能電網(wǎng)的相關(guān)設(shè)備如光伏逆變器、風(fēng)能變流器、儲(chǔ)能逆變器、柔性直流換流閥等中起著至關(guān)重要的作用［1］。

IGBT經(jīng)常工作在過(guò)載、過(guò)熱等惡劣環(huán)境中，當(dāng)受到電應(yīng)力或熱應(yīng)力的反復(fù)沖擊時(shí)，會(huì)發(fā)生疲勞損傷，引發(fā)器件失效［2］。以往文獻(xiàn)主要以結(jié)溫為主要對(duì)象研究IGBT在功率循環(huán)下的壽命［3］，其中應(yīng)用較廣泛的是Coffin-Manson模型［4］和LESIT模型［5］。實(shí)施功率循環(huán)試驗(yàn)的基本問(wèn)題是試驗(yàn)條件的選取，由疲勞損傷理論可知在給定正向電流和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間ton的條件下，目標(biāo)ΔTj是耗散能量和熱阻的函數(shù)，所以很難在完全相同的試驗(yàn)條件下重復(fù)一個(gè)試驗(yàn)。并且，功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)模型中結(jié)溫為IGBT內(nèi)部芯片的最高溫度，工況下很難獲得，因此，本文考慮在監(jiān)測(cè)模塊殼溫的條件下進(jìn)行IGBT的溫度循環(huán)試驗(yàn)，研究工況中更易獲得的殼溫，探索殼溫與IGBT壽命的關(guān)系模型。

1 加速試驗(yàn)應(yīng)力的確定

正常工作情況下IGBT模塊的壽命約為10 a，在正常工作下研究其退化規(guī)律花費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此考慮加速老化實(shí)驗(yàn)。產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)的應(yīng)力確定主要包括應(yīng)力的類(lèi)型、施加方式、施加范圍等內(nèi)容。

1）應(yīng)力類(lèi)型。IGBT在使用過(guò)程中主要受電應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響。文獻(xiàn)［6］指出，近60%的器件失效由熱應(yīng)力引起，因此本文中加速壽命試驗(yàn)將選取溫度作為加速試驗(yàn)的應(yīng)力類(lèi)型。

2）應(yīng)力施加方式。根據(jù)應(yīng)力變化形式的不同，常見(jiàn)的加速壽命試驗(yàn)應(yīng)力施加方式有恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力和序進(jìn)應(yīng)力。由于恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)具有試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、試驗(yàn)設(shè)備要求不高、試驗(yàn)理論較為成熟等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用恒定應(yīng)力的施加方式，即將IGBT在固定的溫度波動(dòng)速率下進(jìn)行壽命加速試驗(yàn)。

3）應(yīng)力施加范圍。器件在承受過(guò)應(yīng)力（包括過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱及過(guò)高的電流上升率di/dt與過(guò)高的電壓上升率du/dt等）時(shí)會(huì)引發(fā)器件失效。器件工作在額定應(yīng)力下時(shí)，當(dāng)受到電應(yīng)力或熱應(yīng)力的反復(fù)沖擊時(shí)，會(huì)發(fā)生疲勞損傷。損傷達(dá)到一定程度會(huì)導(dǎo)致焊料層出現(xiàn)裂紋與空洞、鍵合引線(xiàn)發(fā)生熔化導(dǎo)致脫焊、金屬表面產(chǎn)生剝離等情況，使得器件可靠性下降，引發(fā)器件失效。其中額定應(yīng)力范圍內(nèi)的失效更能反映器件實(shí)際的老化過(guò)程，因此選擇溫度范圍為40～100℃（不超過(guò)器件的極限值130℃），通過(guò)加速溫度的波動(dòng)速率來(lái)加速器件的老化，從而在不改變器件失效機(jī)理的情況下，進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 試驗(yàn)方案

圖1所示為加速老化實(shí)驗(yàn)的電路原理圖，圖中DUT為試驗(yàn)器件；PWR為程控試驗(yàn)電源5 V/ 300 A；VG為G腳程控電0～15 V；RG為G腳串聯(lián)電阻10 Ω/2W；RIS為電流互感器0～300A。

圖1 IGBT老化實(shí)驗(yàn)電路圖Fig.1 Electrical circuit of IGBT accelerated aging test

試驗(yàn)方案如下：對(duì)6個(gè)IGBT模塊進(jìn)行溫度循環(huán)老化試驗(yàn)，試驗(yàn)條件設(shè)置如表1所示，其中N為試驗(yàn)?zāi)K序號(hào)；IC為加熱電流（A）；ΔTc為殼溫波動(dòng)范圍，測(cè)試模塊在不同試驗(yàn)條件下失效前的溫度循環(huán)周期數(shù)。

表1 加速壽命試驗(yàn)方案Tab.1 The program of accelerated lifetime test

2.2 加速老化試驗(yàn)平臺(tái)

加速老化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用上位機(jī)控制方式。系統(tǒng)配置10個(gè)相對(duì)獨(dú)立的老化實(shí)驗(yàn)區(qū)，每個(gè)老化實(shí)驗(yàn)區(qū)由加熱電路（提供0～300 A直流電流）、驅(qū)動(dòng)電路（提供0～20 V的驅(qū)動(dòng)電壓）和冷卻系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)和散熱器）組成。模塊底部裝有溫度探頭，可以將銅底板溫度實(shí)時(shí)傳遞給上位機(jī)，再通過(guò)上位機(jī)中的程序控制IGBT的通斷，以40～90℃為例，銅底板溫度達(dá)到90℃后模塊進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，在散熱器的作用下，模塊不斷冷卻到40℃后模塊重新導(dǎo)通，使模塊重復(fù)相同的溫度循環(huán)過(guò)程。表2為加速壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 IGBT模塊加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The figure of IGBT model accelerated lifetime test

3 IGBT壽命預(yù)測(cè)模型研究

3.1 基于功率循環(huán)的IGBT壽命預(yù)測(cè)模型研究

3.1.1 Coffin-Manson模型

Coffin-Manson模型能很好地表征材料在周期性應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞及隨疲勞程度增加而導(dǎo)致材料變形和斷裂的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程與IGBT模塊失效過(guò)程一致，比如焊接層的疲勞破裂和鍵合引線(xiàn)的斷裂等。因此廣泛運(yùn)用于功率循環(huán)下的IGBT壽命預(yù)測(cè)。

這個(gè)基本的壽命預(yù)測(cè)模型假設(shè)模塊功率循環(huán)次數(shù)NfJ只與結(jié)溫變化幅度有關(guān)，模塊壽命可以用下式來(lái)預(yù)估：

其中，NfJ為模塊的功率循環(huán)次數(shù)；α和n為能夠反映材料塑性應(yīng)變能力和實(shí)驗(yàn)中器件周期性疲勞程度的常數(shù)，這2個(gè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。模型中器件的壽命僅受到結(jié)溫變化范圍ΔTj的影響，因此誤差較大。

3.1.2 LESIT模型

20世紀(jì)90年代初期實(shí)施了一個(gè)確定標(biāo)準(zhǔn)模塊壽命的項(xiàng)目。這個(gè)命名為L(zhǎng)ESIT的項(xiàng)目，對(duì)歐洲和日本等不同供應(yīng)商的模塊進(jìn)行試驗(yàn)，探究IGBT的壽命預(yù)測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)溫度的平均值對(duì)器件的壽命有顯著影響，模塊循環(huán)壽命可看作是結(jié)溫變化幅度和平均結(jié)溫的函數(shù)，如下式：

式中：Ea為硅芯片激活能，Ea=7.8×104J/mol；k為氣體常數(shù)，k=8.314 J/mol；Tm為平均結(jié)溫，K；α，n為常數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

該模型包含Coffin-Manson模型和表征溫度絕對(duì)值的平均結(jié)溫，比Coffin-Manson模型能更好地描述模塊的失效機(jī)制。然而該模型不能反映焊料失效過(guò)程，因?yàn)楹噶系钠谑苤芷跁r(shí)間和形狀（溫度保持時(shí)間、上升下降時(shí)間）的影響。

3.2 基于溫度循環(huán)的IGBT壽命預(yù)測(cè)模型研究

考慮到功率循環(huán)與溫度循環(huán)對(duì)器件壽命的影響有一定的相似性，首先考慮運(yùn)用已有的功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)模型，用殼溫變化幅度替代結(jié)溫變化幅度對(duì)溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

3.2.1 Coffin-Manson模型

采用最小二乘法，以Coffin-Manson模型為基礎(chǔ)，對(duì)表2所示的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到α=22 140，n=-2.258 8，相應(yīng)的壽命預(yù)測(cè)模型M1為

式中：Nfc為模塊溫度循環(huán)周期數(shù)；ΔTC為殼溫波動(dòng)范圍。

3.2.2 LESIT模型

以L(fǎng)ESIT模型為基礎(chǔ)，對(duì)表2所示的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到α=7.266 5×10-4，n=-3.126 3，相應(yīng)的壽命預(yù)測(cè)模型M2為

由圖2可知，基于Coffin-Manson模型的M1反而比基于LESIT模型的M2有更高的預(yù)測(cè)精度，這與功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)模型的結(jié)果不符，分析可能是因?yàn)楣β恃h(huán)中每次循環(huán)時(shí)間較短（一般為幾s），而溫度循環(huán)中每次循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，考慮提出含有導(dǎo)通時(shí)間的改進(jìn)模型探討平均溫度對(duì)壽命的影響。

圖2 壽命預(yù)測(cè)模型結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 The contrast diagram of different lifetime prediction models

3.2.3 改進(jìn)模型

考慮到Coffin-Manson模型和LESIT模型沒(méi)有涉及加熱電流和循環(huán)時(shí)間，而這些都是影響模塊壽命的因素，因此提出包含更多參數(shù)的改進(jìn)模型。器件壽命不止受溫度的波動(dòng)范圍影響，也會(huì)受溫度變化速率影響，而在本次試驗(yàn)中模塊的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間均與循環(huán)溫度和試驗(yàn)環(huán)境有關(guān)，且關(guān)斷時(shí)間在循環(huán)溫度和試驗(yàn)環(huán)境一定的情況下，為1個(gè)定量，所以模型中加入導(dǎo)通時(shí)間參量，忽略通斷時(shí)間。故在Coffin-Manson模型的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的壽命預(yù)測(cè)模型M3為

式中：ton為每個(gè)溫度循環(huán)中IGBT模塊的導(dǎo)通時(shí)間，s；ΔTC/ton為溫度變化速率；IC為加速壽命試驗(yàn)中模塊的加熱電流；n1，n2，n3，n4為未知參數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

為分析平均溫度在溫度循環(huán)中對(duì)壽命的影響，在LESIT模型的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的壽命預(yù)測(cè)模型M4為

式中：n1,n2,n3,n4為未知參數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

利用表2數(shù)據(jù)對(duì)模型M3作最小二乘法擬合，得n1=551526，n2=-0.0119，n3=-2.0318，n4=-1.022，得到M3為

利用表2數(shù)據(jù)對(duì)模型M4作最小二乘法擬合，n1=1.91×10-3，n2=-0.087 1，n3=-2.984 2，n4=-0.406 2得到M4為

4 壽命預(yù)測(cè)模型對(duì)比分析

各個(gè)壽命預(yù)測(cè)模型的結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 加速壽命試驗(yàn)誤差分析Tab.3 The error analysis of accelerated lifetime test

表3中，NMi（i=1，2，3，4）分別為模型M1，M2，M3，M4在對(duì)應(yīng)序號(hào)試驗(yàn)條件下的預(yù)測(cè)值，為模型預(yù)測(cè)值對(duì)應(yīng)序號(hào)試驗(yàn)條件下的誤差，為了能更直觀(guān)地看出各個(gè)模型的優(yōu)劣性，設(shè)

式中：i為預(yù)測(cè)模型的編號(hào)，i=1，2，3，4；j為試驗(yàn)?zāi)K的序號(hào)，j=1，2，3，4，5，6；μi為各個(gè)模型的平均誤差，計(jì)算得到 μ1=9.3%，μ2=25%，μ3= 10.1%，μ4=6.5%。

Coffin-Manson模型只考慮溫度波動(dòng)值對(duì)器件壽命的影響，參數(shù)單一，精度不高。LESIT模型為Coffin-Manson模型的修正模型，將溫度的絕對(duì)值（平均殼溫）考慮進(jìn)去，在功率循環(huán)的壽命預(yù)測(cè)中擁有更高的預(yù)測(cè)精度。但由試驗(yàn)結(jié)果分析可知在基于溫度循環(huán)的試驗(yàn)中LESIT模型卻比Coffin-Manson模型預(yù)測(cè)精度低，為驗(yàn)證溫度循環(huán)中帶有平均殼溫的指數(shù)項(xiàng)是否對(duì)器件壽命有影響，比較壽命預(yù)測(cè)模型M3和M4，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有平均殼溫參數(shù)的模型M4比沒(méi)有平均殼溫參數(shù)的模型M3預(yù)測(cè)精度更高。因此，在溫度循環(huán)試驗(yàn)中平均殼溫依然對(duì)器件壽命有影響，至于LESIT模型比Coffin-Manson模型預(yù)測(cè)精度低可能是因?yàn)槠骄鶞囟葘?duì)器件壽命的影響被其他因素所掩蓋。

壽命預(yù)測(cè)模型均是基于相同重復(fù)的功率周期，但在實(shí)際應(yīng)用中模塊的損傷往往是由各種不同的功率周期累加而成。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)［8］中學(xué)者提出采用線(xiàn)性疲勞損傷積累理論，即Miner定理，預(yù)測(cè)不同ΔTj周期的共同作用效果。但Miner定理假設(shè)不同ΔTj周期的作用效果是相同的，而文獻(xiàn)［9］則表明具有高ΔTj的周期在器件失效中起主導(dǎo)作用。一個(gè)更好的辦法是采用雨流計(jì)數(shù)法，運(yùn)用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，首先需要將產(chǎn)品的任務(wù)曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成溫度曲線(xiàn)。然后將實(shí)際溫度曲線(xiàn)簡(jiǎn)化成比較規(guī)則的曲線(xiàn)，采用雨流法對(duì)溫度循環(huán)計(jì)數(shù)，根據(jù)模型采用作出壽命預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)［10］表明利用Miner規(guī)則和雨流法，可以估算系統(tǒng)在復(fù)雜工作狀態(tài)下的疲勞壽命。建立可靠的壽命預(yù)測(cè)模型后，可參考功率周期中疲勞累積理論，計(jì)算模塊實(shí)際運(yùn)行中的等效疲勞損傷，從而實(shí)現(xiàn)工況下模塊剩余壽命的預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論

加速壽命試驗(yàn)結(jié)果表明將功率循環(huán)的壽命預(yù)測(cè)模型運(yùn)用于溫度循環(huán)壽命預(yù)測(cè)時(shí)，Coffin-Manson模型比LESIT模型有更高的預(yù)測(cè)精度。但添加了加熱電流和模塊導(dǎo)通時(shí)間后有平均溫度指數(shù)項(xiàng)的改進(jìn)模型M4在溫度循環(huán)的壽命預(yù)測(cè)中有更好的適應(yīng)性。

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Research on IGBT Lifetime Prediction Models Based on Accelerated Lifetime Test

ZHANG Yaling，LI Zhigang
（School of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Insulated gate bipolar transistor（IGBT）often works in overheating and large temperature fluctuating conditions，when the heating damage accumulates to a certain degree，the failure of IGBT module is most likely occur，which leads to huge losses in electric system.If we can estimate the life of the module according to lifetime prediction model，the module can be replaced before it is going to fail，so it is possible to avoid losses caused by sudden failure of the module.Therefore，the IGBT temperature cycling test was done and the case temperature was detected simultaneously，then researched the relationship between IGBT lifetime and case temperature which was more accessible.Based on the existing life models，provided an improved lifetime prediction model which is proved having the higher accuracy.

insulated gate bipolar transistor（IGBT）；temperature recycle；lifetime prediction models

TM322

A

10.19457/j.1001-2095.20161016

2015-09-07

修改稿日期：2016-04-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015BAA09B01）；河北省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（13214303D；14214503D）

張亞玲（1988-），女，研究生，Email：yaling_zhang616@163.com