计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估

2019-04-14 12:48:57 Westpac Electronics
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作为大功率变流器的关键单元,绝缘栅双极晶体管
(insulated gate bipolar transistorIGBT)的高可靠性是系统稳
定运行的重要保证, 准确的寿命评估是提高系统可靠性的有
效手段之一。然而,目前器件寿命评估多忽略焊料层疲劳造
成的热阻、 热载荷增大效应, 易高估器件寿命。 针对该问题,
该文提出计及焊料层疲劳累积效应的
IGBT 模块寿命评估
模型, 该模型考虑焊料层失效位置信息以及疲劳造成的热特
性反馈效应。首先,基于
IGBT 模块三维电力多物理场
耦合模型分析不同焊料层疲劳对模块热响应影响的差异; 其
次, 提出基于
Cauer 模型的考虑焊料层疲劳位置信息的热网
络更新策略;然后,基于该策略建立适时更新热网络的计及
焊料层疲劳对模块老化加速作用的寿命预测模型;最后,与
现有寿命预测模型对比分析实际风速下风机变流器中
IGBT
模块的寿命评估。
关键词: IGBT 模块;焊料层失效;疲劳累积;寿命预测
0 引言
大功率变流装置在电能转换、传输、管理等方
面具有明显优势,可提供高质量、高效率的电能,
广泛运用于新能源发电、轨道交通、国防军工等领
[1]。作为变流器的关键单元,功率器件的可靠性
对系统稳定运行非常重要。统计数据指出约
30%
变流器故障是由功率器件失效造成的
[2]。在所有的
功率器件中,绝缘栅双极晶体管
(insulated gate
bipolar transistor
IGBT)因具有高载流、高开关频
率的特点,其使用数量占比达
42%[3]IGBT 模块
的可靠性研究受到了广泛关注。
在严苛的工作环境中,由于
IGBT 模块各物理
层热膨胀系数不匹配,起连接作用的引线、焊料层
在长期复杂的热力循环作用下易出现结构上的不
可逆损伤,最终导致模块丧失工作能力
[2-4]。目前,
通过寿命预测评估器件服役周期指导系统维护、减
少系统故障、增加系统有效运行时间,是提高系统

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