CN115081268A - 一种基于功率损耗数学模型及有限元方法的igbt模块寿命预测方法 - Google Patents

一种基于功率损耗数学模型及有限元方法的igbt模块寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于功率损耗数学模型及有限元方法的IGBT模块寿命预测方法，通过建立IGBT的功率损耗数学模型，计算获得模块功率损耗，借助有限元仿真软件，迭代计算获得芯片结温，进一步获得IGBT模块的整体热应力分布，最后导入nCodeDesignlife软件，实现IGBT模块的寿命预测计算。本发明基于数学解析及有限元仿真的方法，验证过程借助有限元软件完成，而不需要改变或破坏相应器件的内部结构，从而对人力物力的消耗较小。

Description

一种基于功率损耗数学模型及有限元方法的IGBT模块寿命预 测方法
技术领域
本发明属于功率电子元器件可靠性试验技术领域，具体涉及一种融合了功率损耗数学模型和有限元仿真的IGBT模块结温预测和寿命评估方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为全控型电力电子器件，兼具功率场效应晶体管(MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)的优点。它作为电能变换装置的核心部件，具有开关速度快、开关损耗小、耐受脉冲电流能力强、通态压降低、驱动功率小等特点，因此广泛应用于航空航天、电磁发射、海上运输、轨道交通等领域，具有不可替代的地位和作用。
在轨道交通领域，IGBT主要是作为牵引变流器的核心半导体器件，起维持牵引变流器复杂工况稳定的作用。与其他工业用IGBT相比，轨道交通用的IGBT模块主要为3300V、4500V和6000V的高压大功率器件。兼之轨道列车的特殊工作环境，IGBT模块长期处于环境温度变化大，电流变化快，持续受到轨道传递的振动与冲击载荷的复杂工况下，使得模块在承受不均衡的电热应力的同时，受到机械应力的影响，进一步加剧了IGBT模块的失效。相关研究人员表示，服役于铁路牵引系统的IGBT模块的失效寿命应该至少为30年，失效率不能超过100FIT(1FIT＝109h-1)[4]。并且IGBT器件的发展趋势是功率密度更大、开关频率更高、体积更小。这一趋势将对IGBT器件可靠性有了更高的要求，使得电能变换装置可靠性和IGBT模块疲劳失效的矛盾日益突出。因此，对IGBT模块进行寿命预测是很有必要的。
针对IGBT模块的有限元分析能准确计算模块温度分布，进而能获得IGBT模块精确的热应力分布。将利用有限元方法计算的热应力导入nCode Designlife软件中，进而获得IGBT模块的累积损伤模型和寿命预测模型。有效解决了传统采用实验法获得IGBT模块寿命预测模型以及对人力物力要求较高的弊端。
对比文件：
[1]王航,王富.一种IGBT模块工作结温在线检测系统及方法[P].安徽省：CN110108999B,2021-10-22.
[2]黄洪钟,黄思思,彭卫文,李彦锋,郭来小,黄承赓,郭骏宇.一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法[P].四川省：CN108287976B,2020-10-27.
[3]刘宾礼,罗毅飞,肖飞,黄永乐,王瑞田,熊又星.IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法[P].湖北省：CN109918700A,2019-06-21.
[4]何怡刚,李猎,何鎏璐,王晨苑,熊元新,王枭.基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法及系统[P].湖北省：CN113239653A,2021-08-10.
[5]朱国荣,曾定军,戚明轩,祁尔杰,黄云辉,罗冰洋.基于寿命模型参数波动的精确评估IGBT可靠性的方法[P].湖北省：CN107818207B,2021-01-19.
[6]李玲玲,齐福东,李志刚,刘伯颖,罗泽峰,张丝嘉.一种IGBT模块状态评估与剩余寿命预测模型的构建方法[P].天津市：CN109188232A,2019-01-11.
发明内容
本发明的目的在于克服现有IGBT结温测量和寿命预测验证方法试验周期长且极其耗费人力物力资源的弊端，提供一种基于数学解析及有限元仿真的方法，验证过程借助有限元软件完成，而不需要改变或破坏相应器件的内部结构，从而对人力物力的消耗较小。
本发明提出一种基于功率损耗数学模型和有限元仿真的IGBT寿命预测方法，能较为快速地实现IGBT模块的结温计算预测，进而得到模块整体热应力分布情况，最后借由nCode Designlife软件，实现IGBT模块的寿命预测。
本发明主要解决如何从仿真角度快速获取IGBT模块芯片结温，避免长时间的试验手段来获取，造成人力物力资源的浪费。这也是本发明的一大优点。本发明方法不包括如何设计IGBT模块结构及选用IGBT材料，即本方法中IGBT的结构尺寸和材料是已知的。
为实现上述目的，本方法采用如下技术方案：
(1)步骤1：通过初步确定负载电流和芯片结温，获得IGBT模块的功率损耗。由IGBT模块结构、功能及服役工况确定IGBT模块的功率损耗模型，得到的功率损耗数学表达式如下：
Ploss＝Pcon+Psw
Figure BDA0003655788210000021
Figure BDA0003655788210000031
式中，Ploss为芯片总功率损耗，Pcon为芯片通态损耗，Psw为芯片开关损耗，Ic为模块负载电流，Tj为芯片结温，Vce0_22℃为使用手册中室温22℃的门槛压降，KV_T为电压温度系数，rce_22℃为使用手册中室温22℃下的导通电阻，Kr_T为电阻温度系数，fsw为IGBT模块固定开关频率，Asw和Bsw为使用手册中的待定系数，Vdc为模块直流电压，Vdc_ref为模块参考电压，
Figure BDA0003655788210000032
为模块经验参数，取值范围为1.3～1.4，Rg为模块栅极电阻，Rg_ref为模块参考电阻，
Figure BDA0003655788210000033
为模块经验参数，取值为0.8，Tj_ref为IGBT模块参考结温，
Figure BDA0003655788210000034
为模块经验参数，取值为0.003。代入负载电流Ic和芯片结温Tj即可求得IGBT模块功率损耗Ploss。
(2)步骤2：建立IGBT模块有限元模型，根据功率损耗计算获得IGBT模块结温。建立IGBT模块多层异质有限元模型，将上一步计算得到的功率损耗Ploss及IGBT模块在工况下的负载电流和水冷散热系数作为边界条件施加在IGBT模块上；确定经过有限元方法计算即可得到IGBT模块结温Tj，且Tj表示为芯片表面的最高温度。
(3)步骤3：判断步骤2计算结温是否等于初步结温，若不相等，根据新的IGBT模块结温，重复步骤1，步骤2，直至步骤2结温计算结果等于步骤1结温，说明IGBT模块结温Tj即为对应功率损耗Ploss下的最终计算温度。
(4)步骤4：由最终IGBT模块结温，计算获得IGBT模块的热应力。
(5)步骤5：根据模块热应力，计算获得IGBT模块的累积损伤模型和寿命预测模型。IGBT由于温度的快速变化引起的材料失效为热疲劳失效，将热疲劳失效归为低周疲劳。温度循环载荷下疲劳损伤度的计算，通过Mason和Coffin提出的低周疲劳计算公式得出。关系式如下：
Figure BDA0003655788210000035
式中，ε'f表示疲劳延性系数，c表示疲劳延性指数，Δεp表示塑性应变幅值；Nf为当前温度下的总循环次数寿命。
为便于根据塑像应变幅来计算疲劳寿命，上式可转化为：
Figure BDA0003655788210000041
式中C1、C2为材料本身性能相关的材料参数。
所述结合雨流计数法和Miner线性累计损伤理论，得到疲劳损伤模型为：
Figure BDA0003655788210000042
式中，n为温度冲击作用次数，DTC为模块在温度循环下的累计损伤度。对应的疲劳损伤模型的疲劳寿命为：
Tf＝1/DTC
式中，Tf为疲劳寿命。
将疲劳损伤模型及模块热应力结果导入nCode Designlife软件中计算预测IGBT模块疲劳寿命。
综上所述，本发明的目的在于克服现有IGBT结温测量和寿命预测验证方法试验周期长且极其耗费人力物力资源的弊端，提供一种基于数学解析及有限元仿真的方法，验证过程借助有限元软件完成，而不需要改变或破坏相应器件的内部结构，从而减小对人力物力的消耗。通过在功率损耗数学模型和有限元计算之间的迭代计算，准确获得IGBT模块的结温，进而得到IGBT模块的热应力和疲劳寿命。相较于传统的热网络模型法只能计算IGBT模块的平均结温，有限元计算法能准确获得IGBT模块的整体温度分布。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方法的流程图；
图中：
步骤101-建立IGBT功率损耗模型；
步骤102-根据负载电流Ic和芯片结温Tj1，初步计算功率损耗
步骤103-建立IGBT有限元模型，计算芯片结温Tj2；
步骤104-判断Tj1是否等于Tj2，若是，则进行下一步；若否，则返回步骤102；
步骤105-计算IGBT模块热应力；
步骤106-导入nCode Designlife，计算获得疲劳寿命模型。
图2为本发明实例提供的IGBT模块整体热应力分布。
图3为本发明实例提供的IGBT模块疲劳寿命。
图4为本发明实例提供的IGBT组成结构的三维模型图。
图5为本发明实例提供的IGBT的剖面图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
首先，对本申请可适用的应用场景进行介绍。本申请可以应用于动车等高速列车用牵引变流器的IGBT模块，对IGBT通过有限元仿真进行结温计算，最后得到IGBT的寿命预测模型。
图1为本发明的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方法的流程图。图中：步骤101-建立IGBT功率损耗模型；步骤102-根据负载电流Ic和芯片结温Tj1，初步计算功率损耗；步骤103-建立IGBT有限元模型，计算芯片结温Tj2；步骤104-判断Tj1是否等于Tj2，若是，则进行下一步；若否，则返回步骤102；步骤105-计算IGBT模块热应力；步骤106-导入nCode Designlife，计算获得疲劳寿命模型。
图2为本发明实例提供的IGBT模块整体热应力分布。
图3为本发明实例提供的IGBT模块疲劳寿命。
图4为本发明实例提供的IGBT组成结构的三维模型图。
图5为本发明实例提供的IGBT的剖面图。
为实现本发明所述的基于功率损耗数学模型和有限元仿真的IGBT寿命预测方法，本方案采用如下技术方案流程：
步骤101-建立IGBT功率损耗模型：
Ploss＝Pcon+Psw
Figure BDA0003655788210000061
Figure BDA0003655788210000062
式中，Ploss为芯片总功率损耗，Pcon为芯片通态损耗，Psw为芯片开关损耗，Ic为模块负载电流，Tj为芯片结温，Vce0_22℃为使用手册中室温22℃的门槛压降，KV_T为电压温度系数，rce_22℃为使用手册中室温22℃下的导通电阻，Kr_T为电阻温度系数，fsw为IGBT固定开关频率，Asw和Bsw为使用手册中的待定系数，Vdc为模块直流电压，Vdc_ref为模块参考电压，
Figure BDA0003655788210000063
为模块经验参数，取值范围为1.3～1.4，Rg为模块栅极电阻，Rg_ref为模块参考电阻，
Figure BDA0003655788210000064
为模块经验参数，取值为0.8，Tj_ref为IGBT参考结温，
Figure BDA0003655788210000065
为模块经验参数，取值为0.003。
步骤102-根据负载电流Ic和芯片结温Tj1，初步计算功率损耗：本发明实例中的IGBT主要用于高速列车用牵引变流器。考虑到其使用范围，本发明实例中的IGBT负载电流取100A，且为恒定值，芯片结温取125℃，计算得到初步功率损耗为402.15W。
步骤103-建立IGBT有限元模型，计算芯片结温Tj2；
步骤104-判断Tj1是否等于Tj2，若是，则进行下一步；若否，则返回步骤102：联合步骤103，对初步功率损耗下的芯片结温进行迭代计算，判断计算芯片结温与设定芯片结温是否相等。计算数据列于表1中。
表1迭代计算的芯片结温
Figure BDA0003655788210000071
步骤105-计算IGBT模块热应力：计算获得IGBT模块实际结温为116.60℃后，对模块整体热应力进行计算。最大等效应力为166.54MPa，位于芯片焊层。热应力分布情况请见图2。
步骤106-导入nCode Designlife，计算获得疲劳寿命模型：将热应力仿真结果作为前置计算条件导入nCode Designlife，得到IGBT模块最小循环次数为8.924×106，且早期失效主要发生在键合线及焊接层位置。疲劳寿命分布请见图3。
本发明实例中的IGBT模块的三维模型建立如图4所示，剖面结构图如图5所示，用于有限元建模的几何参数及材料属性情况如表2和表3所示。
表2 IGBT结构几何参数
组件 尺寸(mm)
基板 120×60×3.00
衬底焊料层 100×45×0.15
下铜层 100×45×0.30
陶瓷层 100×45×0.38
上铜层1 100×18×0.30
上铜层2 100×20×0.30
上铜层3 100×4×0.30
二极管芯片焊层 8×8×0.15
IGBT芯片焊层 12×12×0.15
二极管芯片 8×8×0.20
IGBT芯片 12×12×0.15
二极管表面Al金属层 6×6×0.004
IGBT表面Al金属层 10×10×0.004
表3 IGBT各部分材料参数
Figure BDA0003655788210000081
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于功率损耗数学模型及有限元方法的IGBT模块寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据IGBT结构、功能及服役工况确定IGBT模块的功率损耗模型；
(2)初步确定负载电流Ic和芯片结温Tj1，计算获得IGBT芯片的功率损耗；
(3)建立IGBT模块有限元模型，根据所述功率损耗计算获得IGBT芯片结温Tj2；
(4)判断步骤(3)计算结温Tj2是否等于步骤(2)所述结温Tj1，若不相等，根据新的芯片结温，重复步骤(2)，步骤(3)，直至步骤(3)计算结果等于步骤(3)结温，获得最终芯片结温；
(5)由最终芯片结温，计算获得IGBT模块的热应力；
(6)根据模块热应力，计算获得IGBT模块的累积损伤模型和寿命预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方法，其特征在于，所述的功率损耗模型为：
Ploss＝Pcon+Psw
Figure FDA0003655788200000011
Figure FDA0003655788200000012
式中，Ploss为芯片总功率损耗，Pcon为芯片通态损耗，Psw为芯片开关损耗，Ic为模块负载电流，Tj为芯片结温，Vce0_22℃为使用手册中室温22℃的门槛压降，KV_T为电压温度系数，rce_22℃为使用手册中室温22℃下的导通电阻，Kr_T为电阻温度系数，fsw为IGBT固定开关频率，Asw和Bsw为使用手册中的待定系数，Vdc为模块直流电压，Vdc_ref为模块参考电压，
Figure FDA0003655788200000013
为模块经验参数，取值范围为1.3～1.4，Rg为模块栅极电阻，Rg_ref为模块参考电阻，
Figure FDA0003655788200000014
为模块经验参数，取值为0.8，Tj_ref为IGBT参考结温，
Figure FDA0003655788200000015
为模块经验参数，取值为0.003。
3.根据权利要求1所述的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方法，其特征在于，对基于功率损耗模型和有限元仿真计算获得的芯片结温Tj2和初步结温Tj1进行比较，若二者不相等，将Tj2代入功率损耗模型，重新迭代计算功率损耗及芯片结温，直至二者相等。
4.根据权利要求1所述的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方法，其特征在于，芯片结温Tj由有限元方法计算获得，且表示为芯片表面最高温度；
5.根据权利要求1所述的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方法，其特征在于，将所述热应力模型导入nCode Designlife软件中计算获得疲劳寿命。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116738804A (zh) * 2023-08-16 2023-09-12 湖南大学 一种基于失效物理的功率模块寿命预测方法
CN116738804B (zh) * 2023-08-16 2023-11-03 湖南大学 一种基于失效物理的功率模块寿命预测方法

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