IGBT功率模块寿命预测的研究与设计

电子信息技术的发展极大的改进了人们的生产生活方式,具有饱和压降小,载流密度大等许多优点的功率器件IGBT,在超高电压电力传输、新能源的开发利用等方面获得广泛应用。然而其工作在电压高、电流强、状态切换频繁等复杂环境中。这就导致其容易损耗,使模块寿命大大降低。目前,国内外在IGBT功率模块寿命研究领域已经取得了一定的成绩。本文在介绍了IGBT结构的基础上通过建模对其寿命预测进行了研究并具体阐述了功率循环中叠加效应、任务曲线、雨流计数法。     

IGBT模块功率循环疲劳寿命预测

随着IGBT功率模块的广泛应用,其功率循环可靠性问题得到关注和重视.介绍了模块的功率循环失效机理,指出铝键合线剥离是模块功率循环失效的原因;基于有限元法计算了模块在功率循环过程中的温度分布与变化,并在此基础上计算了模块的应力应变:根据应力应变数值的计算结果,分别采用应变能法和应变法等两种疲劳破坏准则,预测了键合线疲劳寿命.研究表明,铝键合线根部为模块的疲劳危险区:随着芯片热损耗的增加,芯片结温变化幅度的增加,功率模块疲劳寿命急剧地减小.     

考虑退化状态的功率器件寿命预测研究

功率变流器是风机系统的核心组件,其可靠性直接影响风电系统的可靠性。风电变流器中主要的失效部件是IGBT模块,因此对IGBT模块进行寿命预测可以提高整个风电系统的可靠性。首先讨论变流器电热耦合模型中的退化参数,然后基于LESIT寿命预测模型和雨流循环计数法提出考虑IGBT模块退化状态的寿命预测方法。文中以1.2 MW风力发电系统为例,预测了网侧风电变流器中IGBT模块的寿命,并对比分析了是否考虑模块的退化状态对寿命预测结果的影响。     

基于Transformer模型的IGBT剩余寿命预测

为了提前预测IGBT的剩余寿命(RUL),减小失效造成的损失并辅助维护,提出了一种基于Transformer模型的RUL预测方法,使用瞬态热阻曲线预测RUL.首先,使用不同的热循环参数进行老化试验,观察到IGBT模块结-壳瞬态热阻会随着老化而变化;然后,通过处理采集到的数据,计算出瞬态热阻并删除异常值;最后,训练一个Transformer神经网络来预测IGBT的寿命.试验结果表明,根据瞬态热阻的变化,神经网络能很好地预测IGBT剩余寿命.Transformer模型平均预测误差为0.188％,与长短时记忆网络模型进行对比,Transformer模型的预测准确度提高了0.126％.     

对大功率IGBT模块损耗的研究

大功率IGBT模块损耗的确定是三相PWM变流器设计的一个关键参数。文中对两种类型转换器的功率半导体损耗进行了完整的分析计算。所提出的计算基础是将大功率IGBT的损耗简化为传导损耗和转换损耗。这种近似计算方法有助于预测和进一步研究两种变流器的功率IGBT的损耗性能。仿真计算结果指出了大功率IGBT损耗与变流器类型、工作点和脉冲宽度调制度的相关性,证明了所提出的计算方法的有效性。     

功率IGBT模块可靠性研究

提出了一种根据功率IGBT模块实时特征量对IGBT缺陷程度进行评估的新方法。首先从IGBT模块的结构入手,分析了其失效机理及故障特征。然后对IGBT模块进行人为挑断键合线实验,对获得的实验数据进行灰色关联模型建模,以初步验证灰色关联度与缺陷程度的关系;并进一步进行了老化试验,提出了灰色关联预计模型,通过实验验证了预测模型的正确性。该文研究成果为IGBT模块在线可靠性预测提供了参考依据。     

基于Elman神经网络模型的IGBT寿命预测

建立了Elman神经网络模型来实现绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的寿命预测。分析了IGBT的结构及其失效原因,结合NASA埃姆斯中心的加速热老化试验数据,确定了以集电极-发射极关断电压尖峰峰值作为失效预测依据。利用高斯滤波的方法对试验数据进行预处理,构建了单、多隐层Elman神经网络寿命预测模型,并构建了广义回归神经网络(GRNN)寿命预测模型作为对比模型。采用均方误差、平均绝对误差、最大相对误差作为各模型预测性能的评估指标。结果表明,提出的Elman神经网络模型比GRNN模型有更好的预测效果。二隐层的Elman神经网络模型均方误差为0.202 0%,平均绝对误差为0.387 6%,最大相对误差为3.023 0%,可以更好地实现IGBT寿命的预测。     

与众不同的SKM系列IGBT功率模块

德国西门康公司生产的ＳＫＭ系列ＩＧＢＴ功率模块，不必使用ＲＣＤ吸收电路，并联时能自动均流，开关损耗不随温度正比地产加，ＳＯＡ曲线为矩形，并具有不必负压关断、短路电流自动抑制、正温度特性且没有寿命刹手特点。本文分析了ＳＫＭ系列ＩＧＢＴ功率模块的特点，并与其它型号ＩＧＢＴ进行了比较。     

功率IGBT模块中的材料技术

介绍了功率IGBT模块封装中所用到的氮化铝DBC技术和铝碳化硅技术,通过对其材料特性、技术特点分析以及其对IGBT模块性能的影响分析,说明了氮化铝DBC和铝碳化硅在未来高压大功率IGBT模块发展中的作用和发展趋势。     

锂动力电池寿命预测研究进展

综述了国内外对于锂动力电池储存寿命和循环寿命预测模型的研究进展。阐述了以容量衰减、电阻增加与衰退为基础建立的寿命预测模型的研究成果。统一储存寿命和循环寿命预测,并综合考虑我国动力电池使用条件和外部环境情况,这对锂动力电池的应用具有现实意义。     

一种适用于大功率IGBT模块串联工作的新型驱动电路

介绍了一种基于IGD515EI构成的IGBT串联应用的驱动电路,能够提供最大15A的驱动电流,采用光纤传输控制信号,解决了所有与MOSFET和IGBT有关的驱动、保护和电位隔离问题。应用结果表明,该驱动电路使用简单、可靠,具有优良的驱动和保护性能,尤其是其联合运用端口的设计非常适用于IGBT的串联使用。采用串联IGBT作为刚管调制器的放电开关,解决了单只IGBT耐压不够的问题。文中还介绍了IGBT栅极驱动电路和IGBT电压均衡电路的设计方法,并给出调制器的输出波形。     

Junction temperature management of IGBT module in power electronic converters

IGBT power module is the key component of the power electronic converter, but it has the lowest reliability. The junction temperature is the crucial factor which affects power module’s reliability. To some extent, the power handling capability of the converter depends on the thermal stress of the power module. Thermal management is an effective method to improve the reliability of power device, as well as enhance the power capability. For this purpose, this paper introduces the reliability design to the power converter’s traditional compensation controller design for the first time. A new concept of generalized dual-loop controller, which includes temperature control loop and electric power control loop, is proposed. The reliability and stability of the system are both considered, with the help of the hybrid controller, the power converter can operate steadily with higher reliability. The novelty of this paper is to improve the thermal control method of carrier frequency adjustment through experimental implementation during the full life cycle of the converter. The target is to control the temperature variation to be almost a constant value as well as extend the lifetime of the converter. IR sensor is used to measure the chip temperature of the unpackaged IGBT module. The temperature variation and the average temperature are all considered in thermal management, from the reliability improvement point of view. At last, the idea is digital implemented based on a varying load of power inverter system with real-time measurement of the chip’s surface temperature.     

大功率IGBT功耗的研究

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是复合全控型电压驱动式功率半导体器件.为了改善其功耗性能并进行进一步优化,论文在阐述IGBT特性基础上,通过从器件构成和实际应用角度对影响功率器件功耗的主要因素进行分析,并结合实践对IGBT功率器件的功耗进行深入研究,由此可以更深刻地理解IGBT功耗的产生,这对正确选择和使用IGBT器件及其系统有一定的实用价值.     

Reliability evaluation of IGBT power module on electric vehicle using big data

There are challenges to the reliability evaluation for insulated gate bipolar transistors (IGBT) on electric vehicles, such as junction temperature measurement, computational and storage resources. In this paper, a junction temperature estimation approach based on neural network without additional cost is proposed and the lifetime calculation for IGBT using electric vehicle big data is performed. The direct current (DC) voltage, operation current, switching frequency, negative thermal coefficient thermistor (NTC) temperature and IGBT lifetime are inputs. And the junction temperature (T_j) is output. With the rain flow counting method, the classified irregular temperatures are brought into the life model for the failure cycles. The fatigue accumulation method is then used to calculate the IGBT lifetime. To solve the limited computational and storage resources of electric vehicle controllers, the operation of IGBT lifetime calculation is running on a big data platform. The lifetime is then transmitted wirelessly to electric vehicles as input for neural network. Thus the junction temperature of IGBT under long-term operating conditions can be accurately estimated. A test platform of the motor controller combined with the vehicle big data server is built for the IGBT accelerated aging test. Subsequently, the IGBT lifetime predictions are derived from the junction temperature estimation by the neural network method and the thermal network method. The experiment shows that the lifetime prediction based on a neural network with big data demonstrates a higher accuracy than that of the thermal network, which improves the reliability evaluation of system.     

IGBT模块的一种驱动设计

介绍了光电耦合器件HCPL-3120和HCPL-316J的功能和特点.三相电压型逆变器的每相均由上下桥臂(两个IGBT)组成,采用HCPL-3120驱动IGBT模块(BSM10GP120)的上桥臂,采用HCPL-316J驱动IGBT模块的下桥臂.HCPL-316J具有过流、欠压保护功能,能对IGBT模块提供及时保护.实验证明,该驱动方法具有较高的稳定性和良好的保护功能.     

IGBT全自动装片机工艺方法研究

IGBT全自动装片机是用于IGBT制造封装业中的后道封装工艺-固精工序。传统的封装工艺采用两台设备经过两次装片,两次加热,容易造成两次氧化的工艺、应力二次释放等问题。文章讨论的IGBT装片工艺是在一台设备上完成双芯片键合和焊料封装工序,实现IGBT器件的高速、精确装片,为了实现本工艺采用了双抓取、双Wafter平台技术,双识别、双监控系统等多项高端技术。文章从IGBT全自动装片机研究的必要性、工艺的创新性、可行性等几个方面进行了分析。     

IGBT模块电流取样电阻模型仿真

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块作为一款重要的半导体功率开关器件,现已被广泛应用。然而,IGBT在工作中常会因为各种原因导致其失效,如过压、过流、过热等。为了更好的监测IGBT的工作状态,本文采用取样电阻来检测电流,通过对IGBT模块DBC底板集成的分流采样电阻进行建模与仿真,研究取样电阻的测量特性。