一种基于仿真建模和短时试验的IGBT间歇寿命试验方法与流程

(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：powercycling)和温度循环(tc：temperaturecycling)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)技术实现要素：：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rth或导通压降vce,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vce,on为被监测参数。表2igbt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。igbt间歇寿命试验中，器件的功率大小、结温范围会影响功率循环升降温试验时间，器件结温变化范围对器件的功率循环次数影响较大。因此，在设计间歇寿命试验时，应优化功率大小、结温范围。试验过程中器件的结温温差、平均结温与功率循环次数的关系如下：式中，nf为功率循环次数；a和α为常数系数，其中a为正常数，α为负常数系数；ea为激活能；kb为波尔兹曼常数；δt为结温温差；tm为结温平均值。步骤五：安全工作区及最大允许结温分析安全工作区(soa)是器件能够安全、可靠地进行工作的电流和电压范围，超过此范围的电流和电压工作时器件即有可能由于过电应力失效，而不是由于间歇寿命试验引起的失效。在igbt间歇寿命试验过程中，主要通过igbt芯片正向导通和关断控制温度升降，因此主要考虑正偏安全工作区。正偏安全工作区即igbt开通时对应的安全工作区，它由集电极最大允许电流ic、集电极-发射极击穿电压vce构成。igbt器件工作时的最大允许结温可由壳温和损耗功率、结壳热阻计算得出。为了确保器件能正常工作，集电极电流ice和器件壳温需要满足一定的关系，壳温超过25℃时，当器件工作时的ice变大时，器件允许的最高壳温降低，功率循环的温度变化范围也随之减小。在正偏安全工作区中标注出试验方案的集电极电流和导通压降，判断其是否处于安全工作区之内。在最大允许结温图中标注出试验方案的集电极电流和器件壳温，判断其是否在器件最大允许结温范围之内。剔除超出器件安全工作区和最大允许结温的试验方案，从而得到预选的间歇寿命试验方案。步骤六：实施短时试验在功率循环试验中主要分为两个阶段，即器件开通阶段和器件关断阶段。在进行间歇寿命试验之前，实施短时试验测量不同功率大小和结温控制范围的器件升温时间和降温时间，该初测结果一方面用于设定功率循环试验中的试验条件，另一方面可用于预估功率试验时间长度。步骤七：仿真建模分析借助有限元软件，如ansys或comsolmultiphysics建立igbt器件的多应力耦合模型。igbt器件的多应力耦合模型是综合考虑电应力、机械应力、热应力作用在igbt器件上的影响，在给定的试验条件下通过一定计算得到igbt器件的功率循环次数。通过短时功率循环试验得到的器件在单循环中的升降温时间，然后将器件功率和升降温时间等条件输入到已建立的电-热-机械应力联合仿真模型，计算器件失效前功率循环次数。步骤八：优选间歇寿命试验方案根据短时试验测得的单循环时间乘以仿真得到的循环次数，预估功率循环试验时间，进而优选间歇寿命试验方案。(四)附图说明：图1是本发明的实施步骤流程示意图图2是案例中所用器件图3是加装散热片的被试igbt器件图4是器件正偏安全工作区(tc＝25℃；tj≤175℃)图5是器件最大直流电流与器件壳温的关系图6是案例to-220封装单管igbt器件的cad模型图7是案例to-220封装单管igbt器件网格划分结果图8是试验方案a下案例器件间歇寿命试验循环次数(7762次)图9是试验方案d下案例器件间歇寿命试验循环次数(7244次)(五)具体实施方式：下面将结合附图和某典型to-220封装的单管igbt器件的间歇寿命试验案例，对本发明作进一步的详细说明。本发明一种基于仿真建模和短时试验的igbt间歇寿命试验方法，具体步骤如图1所示：步骤一：确定散热条件如图2所示，选取某型号的to-220封装的单管igbt器件设计间歇寿命试验方案，该器件的主要指标如表3和表4所示。表3案例igbt器件绝对最大额定值表4案例igbt器件结温为25℃(除非另有指定)时电学特性下面对本发明作详细说明。先选择三种散热器，其规格和升降温时间如表5所示。此外，间歇寿命试验过程中只在器件关断时施加强迫风冷。表5不同散热片的规格和实际短时试验测得的升降温时间在(ic＝3atmin＝25℃δtj＝90℃)的试验条件下，经实测得到不同散热片对应的升降温时间不同，升温降温时间随热阻的增加呈现相反的变化趋势。其中，1号和2号散热片对应的总升降温时间相近，3号散热片由于散热效率较高，器件无法升高到较高温度，试验中的结温温度范围不能保证，因此不选用此类高耗散型散热片。本试验中选定2号散热片进行间歇寿命试验，器件与散热器之间使用导热硅脂和导热垫片进行传热，如图3所示。步骤二：确定参数控制方法在功率循环试验初始阶段将试验条件调整至所需参数，保持加热时间ton和降温时间toff为常数并重复循环进行试验，最高结温tvj,max、最低结温tvj,min和结温温差δt可能在试验期间变化，该试验方法的试验条件是最严酷的，但也与实际应用情况最接近。因此在本间歇寿命试验方案中选取该参数控制方法。步骤三：确定失效判据为了方便在线监测，选取导通压降vce,on为被监测参数，其相对于初始值增加5％～20％均可作为失效判据。综合考虑失效判据对间歇寿命试验时间的影响，以及试验中信号噪声或开关阶段的干扰，本案例中选取10％作为导通压降的失效判据。步骤四：确定器件功率大小和结温控制范围参考器件规格，在间歇寿命试验方案设计时，应有足够的功率损耗使器件温度能够快速上升，因此选择集电极电流ic为3a、4a，对应的导通压降vce,on为1.98v和2.24v左右，即器件功率大小为6w和9w。由于间歇寿命试验中的结温温差变化范围应至少为90℃，故选取初始温度为25℃，结温温差范围选取为90℃、105℃和120℃。步骤五：安全工作区及最大允许结温分析正偏安全工作区即igbt开通时对应的安全工作区，它由集电极最大允许电流ic、集电极-发射极击穿电压vce构成。本案例器件手册给出的正偏安全工作区如图4所示。如果igbt是以脉冲形式导通，则此区域还可增大，增大部分如图4中右上角虚线部分，标注的数据是脉冲的周期时间。将集电极电流分别为3a和4a的两个试验方案标注在图4所示的正偏安全工作区中，可以看出器件工作在安全工作区之内。igbt器件工作时的最大允许结温可由壳温和损耗功率、结壳热阻计算得出。本案例器件手册中给出的最大直流电流和器件壳温关系图如图5所示。通过结壳热阻的初步推算对应器件壳温大小，在图5中标注出选择的6种试验方案情况，除了集电极电流为4a、结温温差为120℃的试验方案(试验方案f)超出了igbt器件的最大允许结温，其余5种试验方案结温处于允许范围内。得到预选的间歇寿命试验方案如表6所示。表6预选间歇寿命试验方案步骤六：实施短时试验针对各个试验方案先进行短时试验，测量各个试验方案的升温时间和降温时间，结果如表7所示。表7预选间歇寿命试验短时试验结果方案序号电流最低值tjmin最高值tjmax结温差δt升温时间降温时间a3a25℃115℃90℃26.0s48.0sb3a25℃130℃105℃38.0s53.5sc3a25℃145℃120℃60.7s57.3sd4a25℃115℃90℃25.5s54.4se4a25℃130℃105℃37.1s58.8s步骤七：仿真建模分析利用有限元软件comsolmultiphysics建立器件的电-热-机械多应力联合仿真模型，模型外形及网格划分结果分别如图6和图7所示。仿真分析该igbt器件在5个试验方案下的间歇寿命试验循环次数，其中试验方案a和d的仿真结果如图8和图9所示。最终得到各个试验方案的功率循环次数如表8所示。步骤八：优选间歇寿命试验方案根据短时试验测得的单循环时间乘以仿真得到的循环次数，预估功率循环试验时间，得到失效前的功率循环次数如表8所示。表8间歇寿命试验方案功率循环试验时间预估序号电流结温差升温时间降温时间仿真得到的循环次数预计功率循环试验时间a3a90℃26.0s48.0s7762574388sb3a105℃38.0s53.5s4073372680sc3a120℃60.7s57.3s2187258066sd4a90℃25.5s54.4s7244578796se4a105℃37.1s58.8s3090296331s从表8中可以看出，方案c的试验时间相对其余四个方案耗时时间最短，在较短的时间内能使igbt功率器件发生性能退化和失效。因此将方案c作为优选的间歇寿命试验方案。当前第1页12