CN117252036A - 基于电-热耦合多物理场的igbt模块疲劳演变方法及系统 - Google Patents

基于电-热耦合多物理场的igbt模块疲劳演变方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及功率半导体器件技术领域，公开一种基于电‑热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法及系统。该方法基于IGBT模块的内部结构和疲劳机理，从电、热、力角度出发建立IGBT模块疲劳的物理过程，突出IGBT模块疲劳的本质特征；能够较为真实的模拟各类型号IGBT模块的疲劳过程，能够同时模拟多个不同部位的键合线疲劳和焊料层疲劳，无需实物损伤性实验就可以得到IGBT模块老化、失效的数据和特征；该方法可推广到其他包含键合线或焊料层结构功率器件的疲劳演变。

Description

基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法及系统
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，具体涉及一种基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法及系统。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 作为电能变换的核心器件，在市场上以IGBT模块的形式使用最广、销售最多。IGBT模块是由IGBT芯片通过特定的电路桥接与二极管芯片封装而成的模块化半导体产品，具有高性能、低损耗、稳散热、易使用等优点，被广泛应用于消费类电器、工业控制、交通运输和可再生能源等领域的电力系统。IGBT模块长时间运行在快速通断的工作状态，反复的高温波动和本身内部结构的热膨胀不同极易造成IGBT模块疲劳。随着电力系统使用时间的推移，IGBT模块持续的疲劳会引起老化甚至失效，若不能及时发现并采取措施，极易引发短路、开路故障，造成器件烧毁或爆炸，甚至影响整个电力系统的运行。
IGBT模块疲劳主要体现在内部结构的键合线疲劳和焊料层疲劳。现有研究中，关于IGBT模块疲劳的技术，大多只单一的研究某一IGBT芯片键合线疲劳对IGBT模块电气特性和寿命的影响，或某一焊料层疲劳下IGBT模块热场的重构，没有考虑键合线和焊料层两种不同疲劳类型同时发生的情况，也没有考虑多个不同部位的键合线或焊料层疲劳同时发生的情况，不足以满足IGBT模块疲劳下的质量、性能、安全和寿命研究需求，以及各类电力系统IGBT模块老化或失效的监测、诊断、隔离和控制等仿真和测试需求。
因此，现需提供一种从IGBT模块的内部结构和疲劳机理角度出发，能够简单、精确体现整个疲劳物理过程的IGBT模块疲劳演变方法及系统，提高IGBT模块疲劳过程模拟的真实性和有效性。
发明内容
本发明提供了一种基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法及系统，以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法，包括：
S1：根据设定的三类加速IGBT模块疲劳的功率循环试验模式构建IGBT模块功率循环试验统一模型；
S2：根据键合线疲劳程度的初始状态建立键合线疲劳程度的状态关系，根据获取焊料层疲劳程度的初始状态建立焊料层疲劳程度的状态关系，并根据所述键合线疲劳程度的状态关系和所述焊料层疲劳程度的状态关系构建IGBT模块疲劳程度模型；
S3：根据IGBT模块电阻、损耗功率的初始状态建立IGBT芯片的电阻、损耗功率的状态关系，并根据所述IGBT芯片的电阻、损耗功率的状态关系构建IGBT模块电场模型；
S4：根据IGBT模块热阻、温度的初始状态建立IGBT芯片的热阻、温度的状态关系，并根据所述IGBT芯片的热阻、温度的状态关系构建IGBT模块热场模型；
S5：基于IGBT模块疲劳程度模型、所述IGBT模块电场模型、所述IGBT模块热场模型，以及功率循环试验统一模型，构建基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变模型；基于所述IGBT模块疲劳演变模型，模拟IGBT模块疲劳演变过程。
第二方面，本申请提供一种IGBT模块疲劳演变系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行第一方面所述方法的步骤，所述处理器包括以下处理模块：
参数设定模块，用于设定IGBT模块疲劳演变的模块参数和演变参数；
疲劳演变控制模块，用于根据设定的IGBT模块疲劳演变的模块参数和演变参数，实时监测功率循环模式的条件变量和演变结果的判定变量，控制疲劳程度模拟模块、电场模拟模块和热场模拟模块的模拟进程，控制IGBT模块疲劳的演变进程；
疲劳程度模拟模块，用于模拟IGBT模块的疲劳程度，包括键合线疲劳和焊料层疲劳，受疲劳演变控制模块控制，输出电场模拟模块和热场模拟模块所需的参数；
电场模拟模块，用于模拟IGBT模块的电场，包括键合线电阻、IGBT芯片电阻和IGBT损耗功率，受疲劳演变控制模块控制，输出疲劳程度模拟模块和热场模拟模块所需的参数；
热场模拟模块，用于模拟IGBT模块的热场，包括焊料层热阻、芯片结温和模块壳度，受疲劳演变控制模块控制，输出疲劳程度模拟模块和电场模拟模块所需的参数。
一种IGBT模块疲劳演变系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面 所述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
能够模拟各类IGBT模块的疲劳演变过程，可以设定多种IGBT模块功率循环模式和试验条件；根据不同需要，能够同时对键合线、焊料层进行不同疲劳部位、疲劳程度的模拟，无需进行实物损伤性实验，就能得到IGBT模块疲劳过程的数据和特征，为IGBT模块疲劳下的质量、性能、安全和寿命研究提供基础；能够为包含IGBT模块的各类电力系统老化或失效的监测、诊断、隔离和控制等仿真和测试研究提供较为真实可靠的模拟环境。同时，本发明的基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳建模方法还可以广泛应用到其他包含键合线或焊料层结构的功率器件相关故障注入或疲劳演变模拟等场景中。
附图说明
图1是本发明优选实施例的IGBT模块疲劳演变方法的流程图；
图2是本发明优选实施例的一个功率开关的试验电路示意图；
图3是本发明优选实施例的IGBT模块结构示意图；
图4是本发明优选实施例的键合线疲劳和焊料层疲劳结构示意图，其中，(a)为键合线疲劳结构，(b)为焊料层疲劳结构；
图5是本发明优选实施例的IGBT模块热网络模型电路示意图；
图6是本发明优选实施例的IGBT芯片集射极不同键合线裂纹处截面积随疲劳演变周期增长的变化图；
图7是本发明优选实施例的不同位置焊料层空气腔扩展距离随疲劳演变周期增长的变化图；
图8是本发明优选实施例的IGBT芯片产生的能量随疲劳演变周期增长的变化图；
图9是本发明优选实施例的IGBT模块壳温、不同位置IGBT芯片结温随疲劳演变周期增长的变化图；
具体实施方式
下面对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
请参见图1，本发明申请提供一种基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法，包括：
S1：根据设定的三类加速IGBT模块疲劳的功率循环试验模式构建IGBT模块功率循环试验统一模型；
S2：根据键合线疲劳程度的初始状态建立键合线疲劳程度的状态关系，根据获取焊料层疲劳程度的初始状态建立焊料层疲劳程度的状态关系，并根据键合线疲劳程度的状态关系和焊料层疲劳程度的状态关系构建IGBT模块疲劳程度模型；
S3：根据IGBT模块电阻、损耗功率的初始状态建立IGBT芯片的电阻、损耗功率的状态关系，并根据IGBT芯片的电阻、损耗功率的状态关系构建IGBT模块电场模型；
S4：根据IGBT模块热阻、温度的初始状态建立IGBT芯片的热阻、温度的状态关系，并根据IGBT芯片的热阻、温度的状态关系构建IGBT模块热场模型；
S5：基于IGBT模块疲劳程度模型、IGBT模块电场模型、IGBT模块热场模型，以及功率循环试验统一模型，构建基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变模型；基于IGBT模块疲劳演变模型，模拟IGBT模块疲劳演变过程。
上述的IGBT模块疲劳演变方法，能够模拟各类IGBT模块的疲劳演变过程，可以设定多种IGBT模块功率循环模式和试验条件；根据不同需要，能够同时对键合线、焊料层进行不同疲劳部位、疲劳程度的模拟，无需进行实物损伤性实验，就能得到IGBT模块疲劳过程的数据和特征，为IGBT模块疲劳下的质量、性能、安全和寿命研究提供基础；能够为包含IGBT模块的各类电力系统老化或失效的监测、诊断、隔离和控制等仿真和测试研究提供较为真实可靠的模拟环境。同时，本发明的基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳建模方法还可以广泛应用到其他包含键合线或焊料层结构的功率器件相关故障注入或疲劳演变模拟等场景中。
在完整示例中，首先，请参见图2，对三类加速IGBT模块疲劳的功率循环试验模式建立统一描述，构建IGBT模块功率循环试验统一模型，具体为：
三类加速IGBT模块疲劳的功率循环试验模式为：case1（模式1）：给定功率开关相同且恒定的输入电流以及脉冲控制信号占空比；case 2（模式2）：给定功率开关相同且恒定的输入电流，调整脉冲控制信号占空比，维持恒定的壳温（IGBT模块的基板温度）波动；case3（模式3）：给定功率开关相同且恒定的输入电流，调整脉冲控制信号占空比，维持恒定的结温（IGBT芯片表面温度）波动。
一个IGBT模块共有个功率开关，每个功率开关上并联了个IGBT芯片。记序 号表示第个功率开关的第个IGBT芯片，时刻第个IGBT芯片的结温为，时 刻IGBT模块的壳温为，则加速IGBT模块疲劳的功率循环试验统一描述为：
（1）；
其中，；；；、分别是时刻、初始时 刻时的第个功率开关脉冲控制信号的占空比；、分别是case2中设定的IGBT 模块恒定壳温、壳温波动；、分别是case3中设定的第个IGBT芯片的恒定结 温、结温波动。
IGBT模块中一个功率开关对应一个功率循环试验电路，一个功率开关上的个 IGBT芯片共用一个试验主电流源和副电流源。主电流源流经IGBT芯片的集射极，且恒定不 变；副电流源流经IGBT芯片的栅射极，且被一个脉冲控制信号控制。记第个功率开关的脉 冲控制信号频率为，时刻脉冲控制信号已运行的周期数为，公式为：
（2）；
其中表示对括号里的数向下取整。
公式（1）~（2）构成IGBT模块功率循环试验统一模型。
请参见图3和图4，获取键合线疲劳程度的初始状态，建立键合线疲劳程度的状态关系，获取焊料层疲劳程度的初始状态，建立焊料层疲劳程度的状态关系，构建IGBT模块疲劳程度模型，具体为：
IGBT芯片中，发射极和栅极在芯片上表面，通过键合线将芯片上表面的焊盘与DCB （直接覆铜衬底）对应相连。IGBT芯片发射极焊盘共个，键合线共根；IGBT芯片栅极 焊盘共1个，键合线共1根。
记第个IGBT芯片的发射极与DCB之间的第根键合线为；记第个 IGBT芯片的栅极与DCB之间的键合线为，则键合线的统一表达式为：
（3）；
其中，表示键合线类型为IGBT芯片的发射极与DCB之间的键合线，表示键合 线类型为IGBT芯片的栅极与DCB之间的键合线，，，，是IGBT模块中功率开关上并联的IGBT芯片个数。
记键合线的截面积为/>，公式为：
（4）；
其中，是键合线的截面积，是键合线的截面积；是IGBT模块数据 手册上每个功率开关的集电极总电流；是键合线单位截面积的载流量；是IGBT模块 数据手册上IGBT芯片的栅射极峰值电压；是IGBT模块数据手册上IGBT芯片的栅极内部 电阻。
功率循环试验下，热过应力使键合线发生不可恢复的塑性形变和蠕性形变，长时 间的热过应力使键合线疲劳，键合线疲劳表现为裂纹和断裂。裂纹增加键合线长度，记键合 线在时刻的长度为，在初始时刻时，无裂纹时的长度为。定义键合线在 时刻的断裂标志为,的值为0或1，值为1时，表示未发生断裂，值为0时，表示发生断 裂；键合线在初始时刻时的断裂标志为1；用键合线无裂纹时长度表征键合 线疲劳程度的初始状态，公式为：
（5）；
（6）；
其中，是IGBT模块数据手册上每个功率开关的键合线总电阻；；；；是键合线材料的电阻率。
建立时刻的IGBT模块中键合线疲劳程度的状态关系；
键合线形变包括塑性形变和蠕性形变。记时刻键合线/>塑性形变伸长距离为；记/>时刻键合线/>蠕性形变伸长距离为/>；记/>时刻键合线/>形变伸长距离为。
时刻键合线发生塑性形变的条件为：时刻键合线所在IGBT芯片的结温， 大于时刻的结温；发生蠕性形变的条件为：时刻键合线所在IGBT芯片的结温，大 于时刻的结温，且均大于键合线0.3倍的熔点，公式为：
（7）；
（8）；
其中、分别是键合线的塑性形变、蠕性形变修正因子；为键合 线材料在温度下的热膨胀系数；为键合线材料在温度和应力下的关于时间的 蠕变曲线；为键合线材料的弹性极限；为键合线材料的熔点；为时刻第个 IGBT芯片的结温；
时刻键合线/>的长度/>计算公式为：
（9）；
其中为时刻键合线的长度，初始时刻时键合线的长度为。
时刻键合线发生断裂的条件为：形变伸长距离/>达到延伸的极限，断裂标志的值由1变为0，公式为：
（10）；
其中，是键合线在时刻的断裂标志；为键合线材料的延伸率。
获取初始时刻时IGBT模块中焊料层疲劳程度的初始状态；
IGBT模块内一个芯片焊接在一个DCB上，所有的DCB焊接在一个基板上。焊料层是 芯片与DCB之间的绝缘焊接层，以及 DCB与基板之间的绝缘焊料层。记第个IGBT芯片下 的焊料层为，DCB下的焊料层为，则焊料层的统一表达式为：
（11）；
其中，；；。
焊料层疲劳表现为焊接表面的周围出现空气腔，功率循环过程中空气腔向中心扩 展，记时刻焊料层空气腔向中心扩展的总距离为，用初始时刻时焊料层 空气腔向中心扩展的总距离表征焊料层疲劳程度的初始状态，公式为：
（12）；
建立时刻的IGBT模块中焊料层疲劳程度的状态关系；
焊料层面内应力波动产生应变能量，应变能量的释放使焊料层的空气腔向中心扩展。记时刻焊料层/>空气腔向中心扩展的距离为/>，公式为：
（13）；
其中、/>均是焊料/>空气腔扩展修正因子；/>是/>时刻的焊料层/>应变能量的释放，公式为：
（14）；
其中是时刻的焊料层受的面内应力波动；是焊料层的厚度； 是焊料层材料的泊松比；是焊料层材料的杨氏模量；、分别是IGBT芯片材料、 焊料层材料在温度下的热膨胀系数。
时刻焊料层/>空气腔向中心扩展的总距离/>的计算公式为：
（15）；
其中为时焊料层空气腔向中心扩展的总距离，初始时刻时焊 料层空气腔向中心扩展的总距离为。
构建IGBT模块疲劳程度模型，公式（3）~（15）构成IGBT模块疲劳程度模型。
获取IGBT模块电阻、损耗功率的初始状态，建立电阻、损耗功率的状态关系，构建IGBT模块电场模型，具体为：
记时刻键合线的电阻为；记时刻第个IGBT芯片的损耗功率为。 初始时刻时的键合线电阻和IGBT芯片功率损耗为：
（16）；
（17）；
其中是初始时刻时键合线的长度；为初始时刻时IGBT芯片的 功率损耗，是键合线的截面积。
建立时刻键合线电阻的状态关系；
键合线形变伸长距离体现在裂纹张开距离，裂纹等效为高度为/>的扇环。裂纹的存在将键合线分为三段，即键合线被裂纹分割后的两段以及裂纹处一段，三段键合线的电阻串联。/>时刻键合线/>的电阻/>公式为：
（18）；
其中是/>时刻键合线/>裂纹处的截面积，公式为：
（19）；
S33：建立时刻IGBT芯片发射极、栅极键合线总电阻的状态关系；
时刻第个IGBT芯片的发射极键合线总电阻值，由其个键合线的电阻并 联计算；时刻第个IGBT芯片的栅极键合线总电阻值，为其1个键合线的电阻值，公式 如下：
（20）；
其中是t时刻第个IGBT芯片发射极的键合线总电阻；是时刻第个IGBT芯片栅极的键合线总电阻。
建立时刻IGBT芯片损耗功率的状态关系；
一个IGBT芯片的损耗包括导通损耗和开关损耗。开关损耗分为开通损耗和关断损耗。在一个IGBT芯片开关周期中，即首先接受PWM高电平驱动信号，其次IGBT导通，然后接受PWM底电平驱动信号，最后IGBT关断。相应地IGBT芯片产生的损耗依次为开通损耗、导通损耗、关断损耗、无损耗。
时刻第个IGBT芯片的损耗功率为：
（21）；
其中，是时刻第个功率开关脉冲控制信号已运行的周期数，、、分别是t时刻第个IGBT芯片的开通损耗功率、导通损耗功率、关断损耗功率，公式 如下：
（22）；
（23）；
（24）；
其中、、均是第个IGBT芯片的开通损耗功率修正因 子；、、均是第个IGBT芯片的关断损耗功率修正因子；是 IGBT芯片的栅极内部电阻；、分别是IGBT模块数据手册上IGBT芯片导通后的额 定集射极电流、芯片结温；、分别是IGBT模块数据手册上IGBT芯片的开通损 耗、关断损耗；、分别是IGBT模块数据手册上IGBT芯片的开通时间、关断时间；是t时刻第个IGBT芯片导通后的集射极电压，公式为：
（25）；
其中、均是第个IGBT芯片导通后的集射极电压修正因子；是第个功率开关的功率循环试验电路的副电流源；是IGBT模块数据手册 上IGBT芯片导通后在试验环境温度下的集射极电压，是IGBT芯片导通后的栅射极 电压；
是时刻第个IGBT芯片导通后的集射极电流，是时刻第个 IGBT芯片的集射极栅射极总电阻，公式为：
（26）；
其中，是第个功率开关的功率循环试验电路的主电流源，是时刻第个IGBT芯片发射极的键合线总电阻，是时刻第个IGBT芯片栅极的键合线总 电阻。
构建IGBT模块电场模型，公式（15）~（26）构成IGBT模块电场模型。
请参见图5，获取IGBT模块热阻、温度的初始状态，建立热阻、温度的状态关系，构建IGBT模块热场模型，具体为：
获取初始时刻时IGBT模块热阻、温度的初始状态；
记时刻的焊料层热阻为，初始时刻时焊料层的热阻为：
（27）；
其中是焊料层材料在温度下的导热系数，初始时刻时；是试验 环境温度；、、分别是焊料层的宽度、长度、高度。
记时刻第个IGBT芯片的结温为、IGBT模块的壳温为，初始时刻 时第个IGBT芯片的结温、IGBT模块的壳温为：
（28）；
建立时刻焊料层热阻的状态关系；
时刻焊料层/>的热阻为：
（29）；
其中是焊料层在温度下的导热系数，时刻时；是时刻焊料层空气腔向中心扩展的总距离。
建立时刻的IGBT芯片结温、IGBT模块壳温的状态关系；
时刻第个IGBT芯片的结温、IGBT模块的壳温为：
（30）；
（31）；
其中，是时刻第个IGBT芯片的损耗功率，是试验环境温度，是 IGBT模块数据手册上基板到散热器之间的热阻；
是时刻第个IGBT的芯片到基板之间的热阻；公式为：
（32）；
其中是IGBT模块数据手册上IGBT芯片到基板之间的热阻；、分别 是时刻第个IGBT芯片下焊料层的热阻、DCB下焊料层的热阻；、 分别是初始时刻时第个IGBT芯片下焊料层的热阻、DCB下焊料层的热阻。
构建IGBT模块热场模型，公式（27）~（32）构成IGBT模块热场模型。
基于IGBT模块疲劳程度模型、电场模型、热场模型，以及功率循环试验统一模型，构建基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变模型；基于所述IGBT模块疲劳演变模型，模拟IGBT模块疲劳演变过程。具体为：
确定疲劳演变的IGBT模块型号；
获取疲劳演变模型所需的模块参数，包括：功率开关个数，功率开关上并联的 IGBT芯片个数，IGBT芯片发射极焊盘个数，键合线材料的电阻率、热膨胀系数、蠕变曲线、熔点、延伸率，焊料层材料的泊松比、杨氏模量、热膨胀系 数、导热系数，芯片材料的热膨胀系数，以及其他模块参数从IGBT模块数据 手册获取；
设置IGBT模块疲劳演变参数，包括：每个功率开关功率循环试验电路参数：主电流 源、副电流源、脉冲控制信号的频率、脉冲控制信号的占空比，键合线塑性形 变、蠕性形变的修正因子、，焊料层空气腔扩展修正因子、，IGBT芯 片开通损耗功率的修正因子、、，IGBT芯片关断损耗功率的修正因 子、、，IGBT芯片导通后集射极电压的修正因子、， 老化的判定条件参数，以及环境温度；
选择IGBT模块功率循环模式，进行IGBT模块疲劳演变模型的迭代演变；
实时监测变量，包括：功率循环模式的条件变量：IGBT芯片的结温为、IGBT模 块的壳温为。演变结果的判定变量：IGBT芯片导通后的集射极电压、IGBT芯片栅 极的键合线断裂标志、IGBT芯片发射极的键合线断裂标志；
根据演变结果的判定变量和判定条件，结束IGBT模块疲劳演变。
上述实施例的IGBT模块参照FZ1200R12HE4 IGBT的数据，采取case1功率循环模式，给定IGBT模块中功率开关相同且恒定的输入电流以及脉冲控制信号占空比，直至IGBT模块老化。实验的各参数具体如表1和表2（2-1和2-2）所示。
表1
/>
其中，IGBT芯片集射极不同键合线裂纹处的截面积随疲劳演变周期增长的变化如图6所示，不同位置焊料层空气腔扩展的距离随疲劳演变周期增长的变化如图7所示，描述了在不同修正因子下，键合线疲劳程度、焊料层疲劳程度随疲劳演变周期增长的变化；IGBT芯片产生的能量随疲劳演变周期增长的变化如图8所示，描述了IGBT模块疲劳演变过程中，不同IGBT产生的热损耗能量随疲劳演变周期增长的变化；IGBT模块壳温、不同位置IGBT芯片结温随疲劳演变周期增长的变化如图9所示，描述了IGBT模块疲劳演变过程中，模块壳温、不同位置结温随疲劳演变周期增长的变化。通过设定不同的修正因子，设定IGBT模块疲劳演变过程中不同IGBT芯片键合线、焊料层的疲劳速率，IGBT芯片之间疲劳程度的不同导致电场中不同热损耗能量产生，进而导致热场中IGBT芯片结温存在差异，热损耗能量越高的IGBT芯片，其结温越高，更高的IGBT芯片结温进一步加速了其疲劳进程，直至某个IGBT芯片发生老化或失效，疲劳演变结束。
本申请实施例还提供一种IGBT模块疲劳演变系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述方法的步骤，并包括以下处理模块：参数设定模块、疲劳演变控制模块、疲劳程度模拟模块、电场模拟模块、热场模拟模块。该IGBT模块疲劳演变系统可以实现上述IGBT模块疲劳演变方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
本申请实施例还提供一种IGBT模块疲劳演变系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。该IGBT模块疲劳演变系统可以实现上述IGBT模块疲劳演变方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法，其特征在于，包括：
S1：根据设定的三类加速IGBT模块疲劳的功率循环试验模式构建IGBT模块功率循环试验统一模型；
S2：根据键合线疲劳程度的初始状态建立键合线疲劳程度的状态关系，根据获取焊料层疲劳程度的初始状态建立焊料层疲劳程度的状态关系，并根据所述键合线疲劳程度的状态关系和所述焊料层疲劳程度的状态关系构建IGBT模块疲劳程度模型；
S3：根据IGBT模块电阻、损耗功率的初始状态建立IGBT芯片的电阻、损耗功率的状态关系，并根据所述IGBT芯片的电阻、损耗功率的状态关系构建IGBT模块电场模型；
S4：根据IGBT模块热阻、温度的初始状态建立IGBT芯片的热阻、温度的状态关系，并根据所述IGBT芯片的热阻、温度的状态关系构建IGBT模块热场模型；
S5：基于IGBT模块疲劳程度模型、所述IGBT模块电场模型、所述IGBT模块热场模型，以及IGBT模块功率循环试验统一模型，构建基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变模型；基于所述IGBT模块疲劳演变模型，模拟IGBT模块疲劳演变过程。
2.根据权利要求1所述的基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法，其特征在于，所述S1包括：
S11：将三类加速IGBT模块疲劳的功率循环试验模式划分为case1：给定功率开关相同且恒定的输入电流以及脉冲控制信号占空比；case2：给定功率开关相同且恒定的输入电流，调整脉冲控制信号占空比，维持恒定的壳温波动；case3：给定功率开关相同且恒定的输入电流，调整脉冲控制信号占空比，维持恒定的结温波动；
S12：设定一个IGBT模块共有个功率开关，每个功率开关上并联了/>个IGBT芯片，记序号/>表示第/>个功率开关的第/>个IGBT芯片，/>时刻第/>个IGBT芯片的结温为/>，/>时刻IGBT模块的壳温为/>，则加速IGBT模块疲劳的功率循环试验统一描述为：
（1）；
其中，；/>；/>；/>、/>分别是/>时刻、初始时刻时的第/>个功率开关脉冲控制信号的占空比；/>、/>分别是case2中设定的IGBT模块恒定壳温、壳温波动；/>、/>分别是case3中设定的第/>个IGBT芯片的恒定结温、结温波动；
IGBT模块中一个功率开关对应一个功率循环试验电路，一个功率开关上的个IGBT芯片共用一个试验主电流源和副电流源，主电流源流经IGBT芯片的集射极，且恒定不变；副电流源流经IGBT芯片的栅射极，且被一个脉冲控制信号控制，记第/>个功率开关的脉冲控制信号频率为/>，/>时刻脉冲控制信号已运行的周期数为/>，公式为：
（2）；
其中，表示对括号里的数向下取整；
S13：根据公式（1）~（2）建立IGBT模块功率循环试验统一模型。
3.根据权利要求1所述的基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法，其特征在于，所述S2包括：
S21：获取初始时刻时IGBT模块中键合线疲劳程度的初始状态；
IGBT芯片中，发射极和栅极在芯片上表面，通过键合线将芯片上表面的焊盘与DCB对应相连，焊盘个数等于键合线个数，则IGBT芯片发射极焊盘共个，键合线共/>根；IGBT芯片栅极焊盘共1个，键合线共1根；
记第个IGBT芯片的发射极与DCB之间的第/>根键合线为/>；记第/>个IGBT芯片的栅极与DCB之间的键合线为/>，则键合线/>的统一表达式满足如下关系式：
（3）；
其中，表示键合线类型为IGBT芯片的发射极与DCB之间的键合线，/>表示键合线类型为IGBT芯片的栅极与DCB之间的键合线，/>，/>，，/>是IGBT模块中功率开关上并联的IGBT芯片个数；
记键合线的截面积为/>，公式为：
（4）；
其中，是键合线/>的截面积，/>是键合线/>的截面积，/>是IGBT模块数据手册上每个功率开关的集电极总电流，/>是键合线单位截面积的载流量；/>是IGBT模块数据手册上IGBT芯片的栅射极峰值电压，/>是IGBT模块数据手册上IGBT芯片的栅极内部电阻；
记键合线在/>时刻的长度为/>，在初始时刻/>时，无裂纹时的长度为/>，定义键合线/>在/>时刻的断裂标志为/>,/>的值为0或1，值为1时，表示未发生断裂，值为0时，表示发生断裂；键合线/>在初始时刻/>时的断裂标志/>为1；用键合线/>无裂纹时长度表征键合线疲劳程度的初始状态，公式如下：
（5）；
（6）；
其中，是IGBT模块数据手册上每个功率开关的键合线总电阻，/>，，/>，/>是键合线材料的电阻率；
S22：建立时刻的IGBT模块中键合线疲劳程度的状态关系；
键合线形变包括塑性形变和蠕性形变，记时刻键合线/>塑性形变伸长距离为/>，记/>时刻键合线/>蠕性形变伸长距离为/>，记/>时刻键合线/>形变伸长距离为/>；
时刻键合线/>发生塑性形变的条件为：/>时刻键合线/>所在IGBT芯片的结温，大于时刻的结温；发生蠕性形变的条件为：/>时刻键合线/>所在IGBT芯片的结温，大于/>时刻的结温，且均大于键合线0.3倍的熔点，公式如下：
（7）；
（8）；
其中，、/>分别是键合线/>的塑性形变、蠕性形变修正因子；/>为键合线材料在温度/>下的热膨胀系数；/>为键合线材料在温度/>和应力/>下的关于时间/>的蠕变曲线；/>为键合线材料的弹性极限；/>为键合线材料的熔点；/>为/>时刻第/>个IGBT芯片的结温；
时刻键合线/>的长度/>计算公式如下：
（9）；
其中，为/>时刻键合线/>的长度，初始时刻/>时键合线/>的长度为/>；
时刻键合线发生断裂的条件为：形变伸长距离/>达到延伸的极限，断裂标志的值由1变为0，公式如下：
（10）；
其中，是键合线/>在/>时刻的断裂标志；/>为键合线材料的延伸率；
S23：获取初始时刻时IGBT模块中焊料层疲劳程度的初始状态；
记第个IGBT芯片下的焊料层为/>，DCB下的焊料层为/>，则焊料层/>的统一表达式如下：
（11）；
其中，；/>；/>；
焊料层疲劳表现为焊接表面的周围出现空气腔，功率循环过程中空气腔向中心扩展，记时刻焊料层/>空气腔向中心扩展的总距离为/>，用初始时刻/>时焊料层/>空气腔向中心扩展的总距离/>表征焊料层疲劳程度的初始状态，公式如下：
（12）；
S24：建立时刻的IGBT模块中焊料层疲劳程度的状态关系；
焊料层面内应力波动产生应变能量，应变能量的释放使焊料层的空气腔向中心扩展，记时刻焊料层/>空气腔向中心扩展的距离为/>，公式如下：
（13）；
其中，、/>均是焊料层/>空气腔扩展修正因子；/>是/>时刻的焊料层应变能量的释放，公式如下：
（14）；
其中，是/>时刻的焊料层/>受的面内应力波动，/>是焊料层/>的厚度，/>是焊料层材料的泊松比，/>是焊料层材料的杨氏模量，/>、/>分别是IGBT芯片材料、焊料层材料在温度/>下的热膨胀系数；
时刻焊料层/>空气腔向中心扩展的总距离/>的计算公式如下：
（15）；
其中，为/>时焊料层/>空气腔向中心扩展的总距离，初始时刻/>时焊料层空气腔向中心扩展的总距离为/>；
S25：根据公式（3）~（15）构建IGBT模块疲劳程度模型。
4.根据权利要求1所述的基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法，其特征在于，所述S3包括：
S31：获取初始时刻时IGBT模块电阻、功率损耗的初始状态；
记时刻键合线/>的电阻为/>，第/>个IGBT芯片的损耗功率为/>，初始时刻/>时的键合线电阻和IGBT芯片功率损耗满足如下关系式：
（16）；
（17）；
其中，是初始时刻/>时键合线/>的长度，/>为初始时刻/>时IGBT芯片的功率损耗，/>是键合线/>的截面积；
S32：建立时刻键合线电阻的状态关系；
键合线形变伸长距离体现在裂纹张开距离，将裂纹等效为高度为/>的扇环，裂纹的存在将键合线分为三段，即键合线被裂纹分割后的两段以及裂纹处一段，三段键合线的电阻串联，/>时刻键合线/>的电阻/>公式如下：
（18）；
其中，是键合线材料的电阻率，/>是/>时刻键合线/>裂纹处的截面积，公式为：
（19）；
其中，是；
S33：建立时刻IGBT芯片发射极、栅极键合线总电阻的状态关系；
时刻第/>个IGBT芯片的发射极键合线总电阻值，由其/>个键合线的电阻并联计算；时刻第/>个IGBT芯片的栅极键合线总电阻值，为其1个键合线的电阻值，公式如下：
（20）；
其中，是/>时刻第/>个IGBT芯片发射极的键合线总电阻；/>是/>时刻第/>个IGBT芯片栅极的键合线总电阻；
S34：建立时刻IGBT芯片损耗功率的状态关系；
一个IGBT芯片的损耗包括导通损耗和开关损耗，开关损耗分为开通损耗和关断损耗，在一个IGBT芯片开关周期中，首先接受PWM高电平驱动信号，其次IGBT导通，然后接受PWM底电平驱动信号，最后IGBT关断，相应地IGBT芯片产生的损耗依次为开通损耗、导通损耗、关断损耗、无损耗；
时刻第/>个IGBT芯片的损耗功率如下：
（21）；
其中，是/>时刻第/>个功率开关脉冲控制信号已运行的周期数，/>、/>、/>分别是/>时刻第/>个IGBT芯片的开通损耗功率、导通损耗功率、关断损耗功率，公式如下：
（22）；
（23）；
（24）；
其中，、/>、/>均是第/>个IGBT芯片的开通损耗功率修正因子；、/>、/>均是第/>个IGBT芯片的关断损耗功率修正因子；/>是IGBT芯片的栅极内部电阻；/>、/>分别是IGBT模块数据手册上IGBT芯片导通后的额定集射极电流、芯片结温；/>、/>分别是IGBT模块数据手册上IGBT芯片的开通损耗、关断损耗；/>、/>分别是IGBT模块数据手册上IGBT芯片的开通时间、关断时间；/>是时刻第/>个IGBT芯片导通后的集射极电压，公式如下：
（25）；
其中，、/>均是第/>个IGBT芯片导通后的集射极电压修正因子，/>是第个功率开关的功率循环试验电路的副电流源，/>是IGBT模块数据手册上IGBT芯片导通后在试验环境温度/>下的集射极电压，/>是IGBT芯片导通后的栅射极电压；是/>时刻第/>个IGBT芯片导通后的集射极电流，/>是/>时刻第/>个IGBT芯片的集射极栅射极总电阻，公式如下：
（26）；
其中，是第/>个功率开关的功率循环试验电路的主电流源，/>是/>时刻第/>个IGBT芯片发射极的键合线总电阻，/>是/>时刻第/>个IGBT芯片栅极的键合线总电阻；
S35：根据公式（15）~（26）构建IGBT模块电场模型。
5.根据权利要求1所述的基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法，其特征在于，所述S4包括：
S41：获取初始时刻时IGBT模块热阻、温度的初始状态；
记时刻的焊料层/>热阻为/>，初始时刻/>时焊料层的热阻为：
（27）；
其中，是焊料层材料在温度/>下的导热系数，初始时刻/>时/>；/>是试验环境温度；/>、/>、/>分别是焊料层/>的宽度、长度、高度；
记时刻第/>个IGBT芯片的结温为/>、IGBT模块的壳温为/>，初始时刻/>时第/>个IGBT芯片的结温、IGBT模块的壳温为：
（28）；
其中，是试验环境温度；
S42：建立时刻焊料层热阻的状态关系；
时刻焊料层/>的热阻为：
（29）；
其中，是焊料层在温度/>下的导热系数，/>时刻时；/>；/>是/>时刻焊料层空气腔向中心扩展的总距离；
S43：建立时刻的IGBT芯片结温、IGBT模块壳温的状态关系；
时刻第/>个IGBT芯片的结温、IGBT模块的壳温为：
（30）；
（31）；
其中，是/>时刻第/>个IGBT芯片的损耗功率，/>是试验环境温度，/>是IGBT模块数据手册上基板到散热器之间的热阻；
是/>时刻第/>个IGBT的芯片到基板之间的热阻；公式为：
（32）；
其中，是IGBT模块数据手册上IGBT芯片到基板之间的热阻；/>、/>分别是/>时刻第/>个IGBT芯片下焊料层/>的热阻、DCB下焊料层/>的热阻；/>、/>分别是初始时刻/>时第/>个IGBT芯片下焊料层/>的热阻、DCB下焊料层/>的热阻；
S44：根据公式（27）~（32）构建IGBT模块热场模型。
6.根据权利要求1所述的基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法，其特征在于，所述S5中的构建基于电-热耦合多物理的IGBT模块疲劳演变模型包括：
IGBT模块疲劳演变结果包括老化和失效，根据不同的演变需求设置功率循环结束时刻；老化的判定条件为：若IGBT模块内，时刻时存在IGBT芯片导通后的集射极电压最大值大于额定的集射极电压/>的/>倍，则老化结果的功率循环结束时刻/>为/>时刻，公式如下：
（33）；
其中，表示两个命题间的关系，即若第一个括号内的命题成立，则第二个括号内的命题也成立；/>表示一个命题，即存在第一个括号内的变量使第二个括号内的条件成立；/>是IGBT模块数据手册上IGBT芯片导通后在环境温度/>下的集射极电压；
失效的判定条件为：若IGBT模块内，时刻时存在IGBT芯片栅极的键合线断裂标志/>为0，或存在IGBT芯片发射极的键合线断裂标志/>都为0，即键合线断裂标志/>的和也为0，则失效结果的功率循环结束时刻/>为/>时刻，公式如下：
（34）；
根据公式（1）~（34）构建IGBT模块疲劳演变模型。
7.根据权利要求1所述的基于电-热耦合多物理场的IGBT模块疲劳演变方法，其特征在于，所述S5中基于所述IGBT模块疲劳演变模型进行IGBT疲劳的演变包括：
确定疲劳演变的IGBT模块型号；
获取疲劳演变模型所需的模块参数，包括：功率开关个数，功率开关上并联的IGBT芯片个数/>，IGBT芯片发射极焊盘个数/>，键合线材料的电阻率/>、热膨胀系数/>、蠕变曲线/>、熔点/>、延伸率/>，焊料层材料的泊松比/>、杨氏模量/>、热膨胀系数/>、导热系数/>，芯片材料的热膨胀系数/>，以及其他模块参数从IGBT模块数据手册获取；
设置IGBT模块疲劳演变参数，包括：每个功率开关功率循环试验电路参数：主电流源、副电流源/>、脉冲控制信号的频率/>、脉冲控制信号的占空比/>，键合线塑性形变、蠕性形变的修正因子/>、/>，焊料层空气腔扩展修正因子/>、/>，IGBT芯片开通损耗功率的修正因子/>、/>、/>，IGBT芯片关断损耗功率的修正因子、/>、/>，IGBT芯片导通后集射极电压的修正因子/>、/>，老化的判定条件参数/>，以及试验环境温度/>；
选择IGBT模块功率循环模式，进行IGBT模块疲劳演变模型的迭代演变；
实时监测变量，包括：功率循环模式的条件变量：IGBT芯片的结温为、IGBT模块的壳温为/>；演变结果的判定变量：IGBT芯片导通后的集射极电压/>、IGBT芯片栅极的键合线断裂标志/>、IGBT芯片发射极的键合线断裂标志/>；
根据演变结果的判定变量和判定条件，结束IGBT模块疲劳演变。
8.一种IGBT模块疲劳演变系统，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述权利要求1-7中任一项所述方法的步骤，所述处理器包括以下处理模块：
参数设定模块，用于设定IGBT模块疲劳演变的模块参数和演变参数；
疲劳演变控制模块，用于根据设定的IGBT模块疲劳演变的模块参数和演变参数，实时监测功率循环模式的条件变量和演变结果的判定变量，控制疲劳程度模拟模块、电场模拟模块和热场模拟模块的模拟进程，控制IGBT模块疲劳的演变进程；
疲劳程度模拟模块，用于模拟IGBT模块的疲劳程度，包括键合线疲劳和焊料层疲劳，受疲劳演变控制模块控制，输出电场模拟模块和热场模拟模块所需的参数；
电场模拟模块，用于模拟IGBT模块的电场，包括键合线电阻、IGBT芯片电阻和IGBT损耗功率，受疲劳演变控制模块控制，输出疲劳程度模拟模块和热场模拟模块所需的参数；
热场模拟模块，用于模拟IGBT模块的热场，包括焊料层热阻、芯片结温和模块壳度，受疲劳演变控制模块控制，输出疲劳程度模拟模块和电场模拟模块所需的参数。
9.一种IGBT模块疲劳演变系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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