计及低强度热载荷疲劳累积效应的IGBT功率器件寿命模型研究

发布时间：2017-12-07 13:10

  本文关键词：计及低强度热载荷疲劳累积效应的IGBT功率器件寿命模型研究

  更多相关文章： 功率器件 失效机理 寿命预测 可靠性 功率循环试验

【摘要】：随着我国新能源电力的规模化开发,新能源发电(包括风电、光伏和海洋潮汐流发电等)装机容量快速增长,对功率变流器的容量、效率和可靠性的要求越来越高。特别是风力发电系统的运行条件恶劣,风电变流器功率器件长期处于交变的疲劳载荷下,加速了材料和内部封装结构的老化,导致故障率增高。因此提高变流器可靠性、降低设备故障风险和运维成本显得尤为迫切和重要,而提高变流器可靠性很大程度上依赖于较为准确的寿命评估模型。近年来对半导体功率器件的可靠性和寿命模型研究受到国内外的广泛关注,主要在大热载荷冲击下进行加速老化试验的基础上建立寿命建模。而功率器件运行中实际承受的热循环(结温波动)一般为40°C左右,与基于70°C以上热循环的加速老化寿命试验相去甚远。现有的寿命模型不能有效反映低强度交变热应力冲击对器件寿命的影响。因此需要突破传统的加速老化寿命试验方法,从热应力作用的实际机理出发,提出新的思路和寿命评估方法,建立更贴近实际情况的寿命模型。本文针对目前国内外普遍关注的难题,即如何表征长期低强度热应力冲击在器件寿命消耗中的作用,进行深入的理论分析和系列测试实验研究。分析器件性能衰退和失效演化的过程,建立计及疲劳累积效应、定量化描述持续小幅度温度冲击对IGBT器件热疲劳寿命的作用效果的寿命评估模型。围绕这一主题,本文展开了以下几个方面的研究工作:(1)搭建功率循环试验平台,设计了不同应力水平的极限载荷功率试验,分析IGBT模块在大载荷下的失效过程,提取了不同失效方式的特征参数。通过分析Coffin-Manson模型缺点,建立了融入平均结温作用的寿命模型。通过定量分析结温差和平均结温的作用强度,并与模块物理失效过程进行比对,改进了Coffin-Manson-Arrhenius模型,通过对比分析表明了改进的Arrhenius模型精度更高。研究了在大载荷冲击下(加速老化)IGBT模块的失效机制,并证明了焊料层疲劳老化是主要的失效方式,为研究低强度热载荷对器件寿命的影响提供了试验基础。(2)建立了基于电-热-机多物理场效应分析模型,分析了半导体功率模块在不同运行条件下的温度、瞬态热应力分布,尤其是器件焊料层故障下在裂缝尖端分析瞬态热应力的分布,并在相同平均结温下定量分析了温度波动范围和应力差的关系,为小载荷试验的设计奠定基础。分析了不同载荷水平对不同老化程度(根据热阻的增量判定)的影响规律,并验证了试验结果的可重复性,提取了模块在不同载荷和失效程度下的热阻退化率,为建立寿命模型提供数据支撑。通过数值仿真和系列试验证明了低强度热载荷对器件寿命的影响。(3)根据模块失效过程中热阻变化规律和器件退化的通用模型,提取了在大载荷冲击下的热阻退化指数,并在提取的小载荷失效信息的基础上计算出小载荷影响下的退化指数,建立了退化指数计算模型。根据Coffin-Manson模型与退化指数模型建立了基于温度循环的非线性疲劳累积损伤模型,以单一、多载荷曲线对模型进行验证,结果表明所建寿命模型具有较好的精度,反映了长期低强度热应力作用机制,改进了现有的非线性疲劳累积模型。(4)通过对模块热阻参数变化过程及裂纹产生和扩展的演化过程分析,提出了基于小载荷作用机制的分段式疲劳累积损伤模型。其中在线性区采用Miner线性累积模型,在非线性区融入大、小载荷在不同健康状态下的作用效果,建立了累积增长率计算模型。并对模型进行验证,结果表明模型精度较高。该模型反映了大幅度温度冲击和持续性小幅度温度循环与寿命之间的关系,为功率器件的寿命预测和可靠性设计提供了新的方法。(5)在随机载荷下对寿命模型进行对比分析,表明所建立的寿命模型能提供更加贴近实际的预测结果。通过分析不同条件下的寿命评估结果,总结出了载荷水平对模块失效的作用范围。在实际风速变化影响下对双馈电机机侧变流器功率器件进行分析,结果表明环境温度、开关频率对器件寿命影响较大。本文尝试性的解决了业界普遍关注的问题:传统的寿命模型不能反映长期低强度热载荷产生的疲劳累积效应,无法准确预测器件工作寿命。并定性、定量的分析了低强度载荷对器件寿命的影响,建立了反映长期低强度应力作用下的疲劳累积效应与IGBT功率模块寿命消耗之间的关系模型,提出基于器件当前状态和疲劳累积效应的寿命评估模型。这不仅为新能源电力、电动汽车、航空航天和船舶等应用中的电力电子设备的安全评估和状态监测提供理论和数据支撑,同时也为高可靠性功率器件、碳化硅功率模块和变流器系统的设计和研发提供新的科学依据。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN322.8

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本文编号：1262486