CN113125928A - 基于Miner理论的IGBT模块老化表征方法及系统 - Google Patents

基于Miner理论的IGBT模块老化表征方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Miner理论的IGBT模块老化表征方法及系统，首先建立以结温波动Tjm与平均结温ΔTj为输入的寿命预测模型；然后使用红外测温仪测量IGBT模块的芯片结温数据；记录每个功率循环结温波动Tjm与平均结温ΔTj；在每个循环进行一次寿命预测；将每个循环对应的预测寿命取倒数并相加，得到IGBT模块老化表征参数D。本发明能更恰当的表征IGBT的老化程度，具有变化趋势单调递增、分辨率高的优点。

Description

基于Miner理论的IGBT模块老化表征方法及系统
技术领域
本发明属于IGBT模块老化技术领域，更具体地，涉及一种基于Miner理论的IGBT模块老化表征方法及系统。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为新一代半导体功率开关器件，具有驱动功率低、饱和压降低等优点，广泛应用于电气、交通、航天、新能源等领域。然而，随着超高压和超高压技术的发展，对IGBT的容量要求越来越高。高压大电流的工作环境对IGBT的可靠性提出了更高的要求。
为了分析IGBT模块的老化和失效，需要对模块的老化状态进行监测，及时识别和提取老化特征，从老化特征中提取故障分量进行故障分析，找出模块中可能存在的或存在的问题。作为老化特性的参数包括导通集电极-发射极饱和电压、芯片壳热阻、芯片结温度、栅极阈值电压、导通时间、关断时间等。但上述参数也存在很多问题，主要包括：(1)某些参数的维护时间短，对测量电路的要求高；(2)参数受老化状态和结温的影响；(3)在高电压、高电流下工作时，实现状态监测的在线测量具有挑战性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于Miner理论的IGBT模块老化表征方法及系统，具有测量难度低、老化表征准确的优点。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种卡尔曼滤波的提高阵列光栅定位空间分辨率的方法，包括：
S1：建立以结温波动Tjm与平均结温ΔTj为输入的寿命预测模型；
S2：测量IGBT模块的芯片结温数据；
S3：记录每个功率循环的结温波动Tjm与平均结温ΔTj；
S4：基于寿命预测模型在每个功率循环进行一次寿命预测；
S5：将每个功率循环对应的预测寿命取倒数并相加，得到IGBT模块老化表征参数D。
在一些可选的实施方案中，步骤S1包括：
S1.1：对一组同型号的IGBT模块进行温度循环老化实验，并控制IGBT的温度，以防止IGBT模块的老化对自身温度产生的影响；
S1.2：根据IGBT模块的结温波动Tjm与平均结温ΔTj以及对应的工作寿命Nf，建立寿命预测模型
Figure BDA0003028853350000021
其中A与α为待拟合常数，Ea为激活能，kB为玻尔兹曼常数。
在一些可选的实施方案中，步骤S2包括：
S2.1：对待测IGBT模块，在工作状态中，当IGBT模块断开时，测量此时的芯片结温，记为Tjmax；
S2.2：当IGBT模块导通时，测量此时的芯片结温，记为Tjmin。
在一些可选的实施方案中，步骤S3包括：
S3.1：第i次功率循环记录的最大结温与最小结温分别记为Tjmax-i与Tjmin-i；
S3.2：第i次功率循环的结温波动由ΔTj-i＝Tjmax-i-Tjmin-i计算；
S3.3：第i次功率循环的平均结温由Tjm-i＝(Tjmax-i+Tjmin-i)/2计算。
在一些可选的实施方案中，步骤S5包括：
S5.1：根据第i个功率循环记录得到的结温波动Tjm-i与平均结温ΔTj-i由寿命预测模型计算对应的工作寿命Nf-i；
S5.2：Nf-i取倒数，并相加直至第j个功率循环(i≤j)，公式为
Figure BDA0003028853350000031
S5.3：取Dj表征第j个功率循环时IGBT的老化程度；
S5.4：当Dj＝1时，根据Miner理论，认为此时IGBT失效。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于Miner理论的IGBT模块老化表征系统，包括：
寿命预测模型构建模块，用于建立以结温波动Tjm与平均结温ΔTj为输入的寿命预测模型；
测量模块，用于测量IGBT模块的芯片结温数据；
记录模块，用于记录每个功率循环的结温波动Tjm与平均结温ΔTj；
寿命预测模块，用于基于寿命预测模型在每个功率循环进行一次寿命预测；
老化表征模块，用于将每个功率循环对应的预测寿命取倒数并相加，得到IGBT模块老化表征参数D。
在一些可选的实施方案中，所述寿命预测模型构建模块，用于对一组同型号的IGBT模块进行温度循环老化实验，并控制IGBT的温度，以防止IGBT模块的老化对自身温度产生的影响；根据IGBT模块的结温波动Tjm与平均结温ΔTj以及对应的工作寿命Nf，建立寿命预测模型
Figure BDA0003028853350000032
其中A与α为待拟合常数，Ea为激活能，kB为玻尔兹曼常数。
在一些可选的实施方案中，所述测量模块，用于对待测IGBT模块，在工作状态中，当IGBT模块断开时，测量此时的芯片结温，记为Tjmax；当IGBT模块导通时，测量此时的芯片结温，记为Tjmin。
在一些可选的实施方案中，所述记录模块，用于第i次功率循环记录的最大结温与最小结温分别记为Tjmax-i与Tjmin-i；第i次功率循环的结温波动由ΔTj-i＝Tjmax-i-Tjmin-i计算；第i次功率循环的平均结温由Tjm-i＝(Tjmax-i+Tjmin-i)/2计算。
在一些可选的实施方案中，所述老化表征模块，用于根据第i个功率循环记录得到的结温波动Tjm-i与平均结温ΔTj-i由寿命预测模型计算对应的工作寿命Nf-i；Nf-i取倒数，并相加直至第j个功率循环(i≤j)，公式为
Figure BDA0003028853350000041
取Dj表征第j个功率循环时IGBT的老化程度；当Dj＝1时，根据Miner理论，认为此时IGBT失效。
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)与传统的IGBT老化表征方法相比，该方法在数值上是单调递增的，符合老化积累的基本原理；
(2)该方法在整个老化周期内都具有客观的变化率，可以准确判断IGBT工作时所处的老化阶段。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于Miner理论的IGBT模块老化表征方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种寿命预测模型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示是本发明实施例提供的一种基于Miner理论的IGBT模块老化表征方法的流程示意图，包括以下步骤：
S1：建立以结温波动Tjm与平均结温ΔTj为输入的寿命预测模型；
在本发明实施例中，如图2所示，在步骤S1中，建立以结温波动Tjm与平均结温ΔTj为输入的寿命预测模型的具体方法如下：
S1.1：对一组同型号的IGBT模块进行温度循环老化实验，要求使用恒温箱控制IGBT的温度，以防止IGBT模块的老化对自身温度产生的影响；
其中，使用恒温箱控制IGBT的温度，此时IGBT由于自身不产生热量，所以可以严格控制老化过程中的结温波动与平均结温，使预测结果更加精确。
S1.2：根据IGBT模块的结温波动Tjm与平均结温ΔTj以及对应的工作寿命Nf，建立寿命预测模型
Figure BDA0003028853350000051
其中A与α为待拟合常数，Ea为激活能，Ea＝9.89×10-20J，kB为玻尔兹曼常数，kB＝1.38×10-23J/K。
S2：使用红外测温仪测量IGBT模块的芯片结温数据；
在本发明实施例中，在步骤S2中，使用红外测温仪测量IGBT模块的芯片结温数据的具体方法如下：
S2.1：对待测IGBT模块，在工作状态中，当IGBT模块断开时，测量此时的芯片结温，记为Tjmax；
由于IGBT芯片在工作过程中是不断变化的，当IGBT导通时，由于导通压降与工作电流的影响，IGBT芯片自身产生热量，导致结温上升。当IGBT断开时，由于工作电流基本为0，所以芯片基本不产生热量，此时芯片温度下降。所以，在IGBT由导通切换为关断时，IGBT有最大结温，而由关断切换为导通时，IGBT有最小结温。
S2.2：当IGBT模块导通时，测量此时的芯片结温，记为Tjmin。
S3：记录每个功率循环的结温波动Tjm与平均结温ΔTj；
在本发明实施例中，在步骤S3中，记录每个功率循环的结温波动Tjm与平均结温ΔTj的具体方法如下：
S3.1：第i次功率循环记录的最大结温与最小结温分别记为Tjmax-i与Tjmin-i；
S3.2：第i次功率循环的结温波动由ΔTj-i＝Tjmax-i-Tjmin-i计算；
S3.3：第i次功率循环的平均结温由Tjm-i＝(Tjmax-i+Tjmin-i)/2计算。
S4：基于寿命预测模型在每个功率循环进行一次寿命预测；
S5：将每个功率循环对应的预测寿命取倒数并相加，得到IGBT模块老化表征参数D。
在本发明实施例中，在步骤S5中，将每个功率循环对应的预测寿命取倒数并相加，得到IGBT模块老化表征参数D的具体方法如下：
S5.1：根据第i个功率循环记录得到的结温波动Tjm-i与平均结温ΔTj-i由寿命预测模型计算对应的工作寿命Nf-i；
S5.2：Nf-i取倒数，并相加直至第j个功率循环(i≤j)，公式为
Figure BDA0003028853350000061
S5.3：取Dj表征第j个功率循环时IGBT的老化程度；
S5.4：当Dj＝1时，根据Miner理论，认为此时IGBT失效。
Miner理论具体为：如果材料在交变应力σ1下的循环次数为n1，σ2下的循环次数为n2，…，σN下的循环次数为nN。根据寿命预测模型，可以找到σ1对应的失效循环寿命为Nf-1，σ2对应的失效循环寿命为Nf-2，…，σN对应的失效循环寿命为Nf-N。根据Miner理论，当
Figure BDA0003028853350000062
时，可以认为材料发生失效。使用类比的方法，将该理论进行细化，认为每个循环消耗的疲劳度为1/Ni，记录当前所有循环消耗的疲劳度并累加，就能得到IGBT模块当前的老化程度。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Miner理论的IGBT模块老化表征方法，其特征在于，包括：
S1：建立以结温波动与平均结温为输入的寿命预测模型；
S2：测量IGBT模块的芯片结温数据；
S3：记录每个功率循环的结温波动与平均结温；
S4：基于寿命预测模型在每个功率循环进行一次寿命预测；
S5：将每个功率循环对应的预测寿命取倒数并相加，得到IGBT模块老化表征参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1：对一组同型号的IGBT模块进行温度循环老化实验，并控制IGBT的温度，以防止IGBT模块的老化对自身温度产生的影响；
S1.2：根据IGBT模块的结温波动Tjm与平均结温ΔTj以及对应的工作寿命Nf，建立寿命预测模型
Figure FDA0003028853340000011
其中A与α为待拟合常数，Ea为激活能，kB为玻尔兹曼常数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1：对待测IGBT模块，在工作状态中，当IGBT模块断开时，测量此时的芯片结温，记为Tjmax；
S2.2：当IGBT模块导通时，测量此时的芯片结温，记为Tjmin。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：
S3.1：第i次功率循环记录的最大结温为Tjmax-i，第i次功率循环记录的最小结温为Tjmin-i；
S3.2：由ΔTj-i＝Tjmax-i-Tjmin-i计算第i次功率循环的结温波动ΔTj-i；
S3.3：由Tjm-i＝(Tjmax-i+Tjmin-i)/2计算第i次功率循环的平均结温Tjm-i。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S5包括：
S5.1：根据第i次功率循环记录得到的结温波动Tjm-i与平均结温ΔTj-i由寿命预测模型计算对应的工作寿命Nf-i；
S5.2：Nf-i取倒数，并相加直至第j个功率循环(i≤j)，得到IGBT模块老化表征参数
Figure FDA0003028853340000021
S5.3：取Dj表征第j个功率循环时IGBT的老化程度；
S5.4：当Dj＝1时，根据Miner理论，认为此时IGBT失效。
6.一种基于Miner理论的IGBT模块老化表征系统，其特征在于，包括：
寿命预测模型构建模块，用于建立以结温波动与平均结温为输入的寿命预测模型；
测量模块，用于测量IGBT模块的芯片结温数据；
记录模块，用于记录每个功率循环的结温波动与平均结温；
寿命预测模块，用于基于寿命预测模型在每个功率循环进行一次寿命预测；
老化表征模块，用于将每个功率循环对应的预测寿命取倒数并相加，得到IGBT模块老化表征参数。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述寿命预测模型构建模块，用于对一组同型号的IGBT模块进行温度循环老化实验，并控制IGBT的温度，以防止IGBT模块的老化对自身温度产生的影响；根据IGBT模块的结温波动Tjm与平均结温ΔTj以及对应的工作寿命Nf，建立寿命预测模型
Figure FDA0003028853340000022
其中A与α为待拟合常数，Ea为激活能，kB为玻尔兹曼常数。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述记录模块，用于第i次功率循环记录的最大结温为Tjmax-i，第i次功率循环记录的最小结温为Tjmin-i；由ΔTj-i＝Tjmax-i-Tjmin-i计算第i次功率循环的结温波动ΔTj-i；由Tjm-i＝(Tjmax-i+Tjmin-i)/2计算第i次功率循环的平均结温Tjm-i。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述老化表征模块，用于根据第i次功率循环记录得到的结温波动Tjm-i与平均结温ΔTj-i由寿命预测模型计算对应的工作寿命Nf-i；Nf-i取倒数，并相加直至第j个功率循环(i≤j)，得到IGBT模块老化表征参数
Figure FDA0003028853340000031
取Dj表征第j个功率循环时IGBT的老化程度；当Dj＝1时，根据Miner理论，认为此时IGBT失效。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一项所述方法的步骤。
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