[发明专利]一种基于仿真建模和短时试验的IGBT间歇寿命试验方法

说明书

(一)技术领域：

本发明提供了一种基于仿真建模和短时试验的IGBT间歇寿命试验方法，该方法综合合考虑散热条件、参数控制方法、功率大小、温度范围、安全工作区域和失效机理等因素，预选出若干套间歇寿命试验方案，通过进行短时的功率循环试验获得器件在单循环中的升降温时间，借助仿真方法得到器件失效前功率循环次数，预估各预选方案的实际功率循环试验时间，进而优选得到最佳的间歇寿命试验方案。此方法属于功率器件可靠性评价技术领域。

(二)背景技术：

IGBT作为功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品，广泛应用于智能电网、轨道交通、船舶驱动、新能源汽车、航空航天等战略性产业领域。它的故障会直接造成电力系统、供电电源或者被驱动电机等的故障或失效，所以IGBT可靠性是器件制造商和系统应用者密切关注的问题。

为了评估IGBT器件的可靠性和寿命，通常进行加速寿命试验，如功率循环(PC：Power Cycling)和温度循环(TC：Temperature Cycling)试验。IGBT间歇寿命试验是周期性控制器件的导通和关断，本质上属于功率循环试验，可用于IGBT可靠性评价和寿命模型研究中，是评价功率器件可靠性的重要方法。国内外学者经过长期研究和摸索试验，在IGBT功率器件的功率循环试验方法的研究上取得了一定的成果。其中，德国的开姆尼茨工业大学研究了功率循环试验中采用不同的参数控制方法对试验结果的影响，ABB公司研究了大功率IGBT模块下不同键合工艺对器件循环寿命的影响，马里兰大学的CALCE中心研究了IGBT退化失效下应监测的状态参数。但目前现行标准中对间歇寿命试验的通用方法进行粗略规定，现有的IGBT详细规范中也未针对其实际结构与工艺条件进行科学的、系统的分析与验证。

本专利申请以仿真建模和短时试验为基础，提出了一种综合考虑间歇寿命试验中的关键试验条件参数、器件安全工作区及失效机理的IGBT间歇寿命试验方法，提高了该项试验具体条件参数选取的准确性和有效性。

(三)发明内容：

1、目的：本发明的目的是提供一种基于仿真建模和短时试验的IGBT间歇寿命试验方法，该方法综合考虑了关键试验条件参数、器件安全工作区及失效机理，能有效提高间歇寿命试验具体条件参数选取的准确性和有效性。

2、技术方案：本发明一种基于真建模和短时试验的IGBT间歇寿命试验方法，它包括如下步骤：

步骤一：确定散热条件

在间歇寿命试验方案设计阶段，首先，确定试验中使用的散热条件，包括散热器规格、环境散热条件等。IGBT间歇寿命试验中，散热条件影响器件结温变化范围、升降温速率，进而影响寿命试验时间。在散热器方面，热阻越小，散热性能越好，散热器的热阻除了与散热器材料有关之外，还与散热器的形状、尺寸大小以及安装方式有关。随着散热器散热能力的增加，器件升温时间增长、降温时间缩短，因此在进行IGBT间歇寿命试验之前，需要对所选散热器进行短时升降温试验，确定特定条件下试验时间最短的散热器。IGBT间歇寿命试验是随着结被加热和冷却使壳温明显地升高和下降，因此在间歇寿命试验的散热片选取上尽量使用较小的散热器。在环境散热条件方面，可在不加功率时间内采取强迫风冷，加快器件冷却速率，减少寿命循环时间。

步骤二：确定参数控制方法

对IGBT间歇寿命试验的不同参数控制方案在相同结温下的结果如表1所示。

表1 不同的IGBT间歇寿命试验参数控制方案

在试验初始阶段将器件的功率、最低结温、最高结温设定为设计值，在循环试验中控制升降温时间为常数，随着循环次数的增加，器件功率、温度变化范围会发生偏移，导致结温温差ΔT不断增加。该方案即方案一最为严酷，但也与实际应用情况最接近，在IGBT间歇寿命试验的条件控制方案中建议优先选择该方案，其他试验方案可酌情选择。

步骤三：确定失效判据

在间歇寿命试验中，可以监测热阻R_th或导通压降V_CE,on相对初始值的增加作为其失效判据，如表2所示。在间歇寿命试验中可根据试验条件适当选取被监测参数。在间歇寿命试验中，为了方便在线监测，通常选取导通压降V_CE,on为被监测参数。

表2 IGBT功率循环试验中可参考的失效判据

步骤四：确定器件功率大小和结温控制范围

根据器件规格选取不同的器件施加功率m种和结温控制范围n种，组合产生m*n套初步的试验方案。