基于加速老化試驗的IGBT壽命預測模型研究

張亞玲，李志剛

（河北工業(yè)大學電氣工程學院，天津 300130）

基于加速老化試驗的IGBT壽命預測模型研究

張亞玲，李志剛

（河北工業(yè)大學電氣工程學院，天津 300130）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）在工作過程中經(jīng)常要承受過熱和較大的溫度波動，當熱損傷達到一定程度時，模塊極有可能出現(xiàn)失效，這會給電力系統(tǒng)造成巨大的危害。如果能根據(jù)壽命預測模型提前預估模塊的壽命，便可以在模塊即將失效之前進行更換，從而避免模塊突然失效帶來的損失。因此，考慮在檢測模塊殼溫的條件下進行IGBT的溫度循環(huán)試驗，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上，提出改進的壽命預測模型，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)驗證準確度更高。

絕緣柵雙極型晶體管；溫度循環(huán)；壽命預測模型

在智能電網(wǎng)建設的大背景下，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)設備如光伏逆變器、風能變流器、儲能逆變器、柔性直流換流閥等中起著至關(guān)重要的作用［1］。

IGBT經(jīng)常工作在過載、過熱等惡劣環(huán)境中，當受到電應力或熱應力的反復沖擊時，會發(fā)生疲勞損傷，引發(fā)器件失效［2］。以往文獻主要以結(jié)溫為主要對象研究IGBT在功率循環(huán)下的壽命［3］，其中應用較廣泛的是Coffin-Manson模型［4］和LESIT模型［5］。實施功率循環(huán)試驗的基本問題是試驗條件的選取，由疲勞損傷理論可知在給定正向電流和試驗持續(xù)時間ton的條件下，目標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條件下重復一個試驗。并且，功率循環(huán)壽命預測模型中結(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)測模塊殼溫的條件下進行IGBT的溫度循環(huán)試驗，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 加速試驗應力的確定

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)律花費時間過長，因此考慮加速老化實驗。產(chǎn)品加速壽命試驗的應力確定主要包括應力的類型、施加方式、施加范圍等內(nèi)容。

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

2）應力施加方式。根據(jù)應力變化形式的不同，常見的加速壽命試驗應力施加方式有恒定應力、步進應力和序進應力。由于恒定應力加速試驗具有試驗方法簡單、試驗設備要求不高、試驗理論較為成熟等優(yōu)點，因此本文采用恒定應力的施加方式，即將IGBT在固定的溫度波動速率下進行壽命加速試驗。

3）應力施加范圍。器件在承受過應力（包括過壓、過流、過熱及過高的電流上升率di/dt與過高的電壓上升率du/dt等）時會引發(fā)器件失效。器件工作在額定應力下時，當受到電應力或熱應力的反復沖擊時，會發(fā)生疲勞損傷。損傷達到一定程度會導致焊料層出現(xiàn)裂紋與空洞、鍵合引線發(fā)生熔化導致脫焊、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。其中額定應力范圍內(nèi)的失效更能反映器件實際的老化過程，因此選擇溫度范圍為40～100℃（不超過器件的極限值130℃），通過加速溫度的波動速率來加速器件的老化，從而在不改變器件失效機理的情況下，進行加速老化試驗。

2 實驗原理和實驗平臺

2.1 試驗方案

圖1所示為加速老化實驗的電路原理圖，圖中DUT為試驗器件；PWR為程控試驗電源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老化實驗電路圖Fig.1 Electrical circuit of IGBT accelerated aging test

試驗方案如下：對6個IGBT模塊進行溫度循環(huán)老化試驗，試驗條件設置如表1所示，其中N為試驗模塊序號；IC為加熱電流（A）；ΔTc為殼溫波動范圍，測試模塊在不同試驗條件下失效前的溫度循環(huán)周期數(shù)。

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

2.2 加速老化試驗平臺

加速老化實驗系統(tǒng)采用上位機控制方式。系統(tǒng)配置10個相對獨立的老化實驗區(qū)，每個老化實驗區(qū)由加熱電路（提供0～300 A直流電流）、驅(qū)動電路（提供0～20 V的驅(qū)動電壓）和冷卻系統(tǒng)（風機和散熱器）組成。模塊底部裝有溫度探頭，可以將銅底板溫度實時傳遞給上位機，再通過上位機中的程序控制IGBT的通斷，以40～90℃為例，銅底板溫度達到90℃后模塊進入關(guān)斷狀態(tài)，在散熱器的作用下，模塊不斷冷卻到40℃后模塊重新導通，使模塊重復相同的溫度循環(huán)過程。表2為加速壽命試驗的試驗結(jié)果。

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

3 IGBT壽命預測模型研究

3.1 基于功率循環(huán)的IGBT壽命預測模型研究

3.1.1 Coffin-Manson模型

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

這個基本的壽命預測模型假設模塊功率循環(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預估：

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變能力和實驗中器件周期性疲勞程度的常數(shù)，這2個數(shù)據(jù)可以通過實驗數(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90年代初期實施了一個確定標準模塊壽命的項目。這個命名為LESIT的項目，對歐洲和日本等不同供應商的模塊進行試驗，探究IGBT的壽命預測模型。研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)溫度的平均值對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)，由試驗數(shù)據(jù)擬合得到。

該模型包含Coffin-Manson模型和表征溫度絕對值的平均結(jié)溫，比Coffin-Manson模型能更好地描述模塊的失效機制。然而該模型不能反映焊料失效過程，因為焊料的疲勞受周期時間和形狀（溫度保持時間、上升下降時間）的影響。

3.2 基于溫度循環(huán)的IGBT壽命預測模型研究

考慮到功率循環(huán)與溫度循環(huán)對器件壽命的影響有一定的相似性，首先考慮運用已有的功率循環(huán)壽命預測模型，用殼溫變化幅度替代結(jié)溫變化幅度對溫度循環(huán)試驗結(jié)果進行預測分析。

3.2.1 Coffin-Manson模型

采用最小二乘法，以Coffin-Manson模型為基礎，對表2所示的加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到α=22 140，n=-2.258 8，相應的壽命預測模型M1為

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

3.2.2 LESIT模型

以LESIT模型為基礎，對表2所示的加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到α=7.266 5×10-4，n=-3.126 3，相應的壽命預測模型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有更高的預測精度，這與功率循環(huán)壽命預測模型的結(jié)果不符，分析可能是因為功率循環(huán)中每次循環(huán)時間較短（一般為幾s），而溫度循環(huán)中每次循環(huán)時間較長。因此，考慮提出含有導通時間的改進模型探討平均溫度對壽命的影響。

圖2 壽命預測模型結(jié)果對比圖Fig.2 The contrast diagram of different lifetime prediction models

3.2.3 改進模型

考慮到Coffin-Manson模型和LESIT模型沒有涉及加熱電流和循環(huán)時間，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)的改進模型。器件壽命不止受溫度的波動范圍影響，也會受溫度變化速率影響，而在本次試驗中模塊的導通時間和關(guān)斷時間均與循環(huán)溫度和試驗環(huán)境有關(guān)，且關(guān)斷時間在循環(huán)溫度和試驗環(huán)境一定的情況下，為1個定量，所以模型中加入導通時間參量，忽略通斷時間。故在Coffin-Manson模型的基礎上提出改進的壽命預測模型M3為

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

為分析平均溫度在溫度循環(huán)中對壽命的影響，在LESIT模型的基礎上提出改進的壽命預測模型M4為

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

利用表2數(shù)據(jù)對模型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 壽命預測模型對比分析

各個壽命預測模型的結(jié)果對比如表3所示。

表3 加速壽命試驗誤差分析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在對應序號試驗條件下的預測值，為模型預測值對應序號試驗條件下的誤差，為了能更直觀地看出各個模型的優(yōu)劣性，設

式中：i為預測模型的編號，i=1，2，3，4；j為試驗模塊的序號，j=1，2，3，4，5，6；μi為各個模型的平均誤差，計算得到 μ1=9.3%，μ2=25%，μ3= 10.1%，μ4=6.5%。

Coffin-Manson模型只考慮溫度波動值對器件壽命的影響，參數(shù)單一，精度不高。LESIT模型為Coffin-Manson模型的修正模型，將溫度的絕對值（平均殼溫）考慮進去，在功率循環(huán)的壽命預測中擁有更高的預測精度。但由試驗結(jié)果分析可知在基于溫度循環(huán)的試驗中LESIT模型卻比Coffin-Manson模型預測精度低，為驗證溫度循環(huán)中帶有平均殼溫的指數(shù)項是否對器件壽命有影響，比較壽命預測模型M3和M4，通過試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有平均殼溫參數(shù)的模型M4比沒有平均殼溫參數(shù)的模型M3預測精度更高。因此，在溫度循環(huán)試驗中平均殼溫依然對器件壽命有影響，至于LESIT模型比Coffin-Manson模型預測精度低可能是因為平均溫度對器件壽命的影響被其他因素所掩蓋。

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

5 結(jié)論

加速壽命試驗結(jié)果表明將功率循環(huán)的壽命預測模型運用于溫度循環(huán)壽命預測時，Coffin-Manson模型比LESIT模型有更高的預測精度。但添加了加熱電流和模塊導通時間后有平均溫度指數(shù)項的改進模型M4在溫度循環(huán)的壽命預測中有更好的適應性。

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［3］Marco Denk，Bakran Mark-M.Comparison of Counting Algorithms and Empiric Lifetime Models to Analyze the Load-profile of an IGBT Power Module in a Hybrid Car［C］//Electric Drives Production Conference（EDPC），2013 3rd，2013：1-6.

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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

國家科技支撐計劃資助項目（2015BAA09B01）；河北省科技支撐計劃資助項目（13214303D；14214503D）

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