用于增加功率管芯或功率模块的寿命的方法和设备与流程

本发明总体涉及一种用于增加功率管芯(power die)或功率模块(power module)的寿命的方法和设备。

背景技术：

1、传统上，功率管芯或功率模块是并联连接的。由于工艺变化或功率模块设计的几何不对称，几个功率管芯或功率模块的退化可能以不同的速率发生。因此，目前在制造期间，通常对并联连接的功率管芯或功率模块进行分类(sort)，以呈现相同的电热机械特性。使并联功率管芯的退化均衡对于包括这种功率管芯或功率模块的系统的寿命是有益的，因为可靠性将不取决于最关键组件并且避免分类过程。

2、在极端情况下，异质功率管芯或功率模块的连接通常会导致退化率甚至退化模式的高度可变性。异质功率管芯或功率模块例如是诸如sic mosfet和si igbt的技术的差异和/或管芯大小的差异和(或)互连技术的差异等。

3、在实践中，并联连接异质功率管芯和/或模块在性能(诸如，效率)方面可能是有益的，但是由于电热机械差异是很困难的，这会导致不平衡以及可靠性和鲁棒性问题。因此，均衡退化将消除这种异质组件的一个重要瓶颈。

4、在现有技术中，提出了一些方法来调整异质(例如，并联sic mosfet和si igbt)功率模块的开关事件，以提高整体性能，例如平衡温度。开关模式是基于电热性能的先验知识来确定的。这种方法需要对每个功率管芯或功率模块的电热性能进行预表征。此外，当温度演化和/或出现退化时，由于退化对电热参数的影响，预表征不再有效。因此，这种“开环”方法导致高成本和低性能。

5、在现有技术中，一些方法监测温度敏感的电参数并延迟最热功率管芯和/或最热功率模块的接通，以便减少它们的损耗并平衡温度。

6、这样的算法对于平衡具有热不平衡的功率模块的温度是有效的。在强烈的电气或可靠性不平衡的情况下，这种算法不适于改善性能指标，诸如效率和/或可靠性指标，诸如寿命。事实上，在具有不同可靠性数字的功率管芯或功率模块的情况下，由于退化率或退化模式的可变性和制造工艺偏差，平衡温度并不能平衡寿命。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种方法和设备，该方法和设备能够对几个并联功率管芯和/或模块的退化进行选通控制的平衡，以实现更高水平的可靠性和鲁棒性。此外，本发明实现了新的商业案例：不同组件和技术的改造、二次使用、增值(valorisation)。

2、为此，本发明涉及一种用于增加至少两个功率管芯或功率模块的寿命的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

3、-感测所述功率管芯或所述功率模块的温度，

4、-针对每个功率管芯或功率模块，从感测到的温度识别温度循环，

5、-针对每个功率管芯或功率模块，从所识别的温度循环确定可靠性参数，

6、-针对每个功率管芯或功率模块，确定参考温度，

7、-针对每个功率管芯或功率模块，从所确定的功率管芯或者功率模块的参考温度中减去所感测到的功率管芯或者功率模块的温度，

8、-根据减法步骤的输出的符号来调整至少一个功率管芯或功率模块的开关延迟和/或导通时间的持续时间。

9、本发明还涉及一种用于增加至少两个功率管芯或功率模块的寿命的系统，其特征在于，所述系统包括：

10、-用于感测所述功率管芯或所述功率模块的温度的装置，

11、-用于针对每个功率管芯或功率模块从感测到的温度识别温度循环的装置，

12、-用于针对每个功率管芯或功率模块从所识别的温度循环确定可靠性参数的装置，

13、-用于针对每个功率管芯或功率模块确定参考温度的装置，

14、-用于针对每个功率管芯或者功率模块从所确定的所述功率管芯或功率模块的参考温度中减去所感测到的功率管芯或者功率模块的温度的装置，

15、-用于根据所述减法装置的输出的符号来调整至少一个功率管芯或功率模块的所述开关延迟和/或导通时间的持续时间的装置。

16、因此，可以在相同或不同技术的并联连接的功率管芯或功率模块之间监测、控制和平衡退化水平，从而增加整体系统寿命。

17、根据特定特征，对于每个功率管芯或功率模块，所述温度循环等于最后感测到的局部最高温度与被确定为最后局部最低温度的初始温度之间的温差。

18、因此，温度循环或改变可以在操作条件期间被连续地确定，以便用作每个单个功率管芯或功率模块的可靠性参数的应力输入。

19、根据特定特征，可靠性参数r1和r2被确定为：

20、

21、

22、其中，α1、α2、β1和β2是可靠性常数，其可以通过功率循环测试被确定，并且在由功率管芯或功率模块的制造商提供的测试数据上被拟合，δt1和δt2是功率管芯或功率模块的各个温度循环。

23、因此，每个功率管芯或功率模块的可靠性参数可以在基于所计算的温度循环的操作条件下被连续地确定。此外，可靠性参数然后被用于确定每个功率管芯或功率模块的参考温度。

24、根据特定特征，假设温度循环幅度之间的比率等于功率管芯或功率模块的结温度与环境温度之间的比率，并且通过均衡功率管芯或者功率模块的可靠性参数，来确定一个功率管芯或功率模块的参考温度，另一功率管芯或功率模块的温度参考被确定为等于所感测的另一功率管芯或者功率模块的温度。

25、因此，针对每个功率管芯或功率模块确定参考温度，以便在操作条件下连续地控制它们的退化水平。

26、根据特定特征，可靠性参数从寿命模型nf1和nf2确定，其可以被表示为：

27、

28、

29、其中，α1、α2、β1和β2是可靠性常数，其可以通过功率循环测试被确定，并且在功率管芯或功率模块的制造商提供的测试数据上被拟合，δt1和δt2分别是功率管芯或功率模块的温度循环，并且可靠性参数r1和r2被确定为：

30、

31、

32、其中，ni(δt1)和ni(δt2)表示在δt1和δt2处的循环数。

33、因此，每个功率管芯或功率模块的可靠性参数与在例如[0，1]或[0％，100％]的间隔内的操作条件下连续评估的虚拟退化量相关。因此，可以估计健康状态和故障状态之间的所有退化水平。

34、根据特定特征，通过根据可靠性的比较将功率管芯或功率模块的温度循环增加或减少增量并通过将增加或减少的温度循环与预定温度相加来确定每个功率管芯或者功率模块的参考温度。

35、因此，并联连接的功率管芯或功率模块的温度提供了监测和控制所有退化水平以建立平衡的能力。

36、根据特定特征，每个功率管芯或者功率模块的参考温度通过以下来确定：计算所述功率管芯或者所述功率模块的所述可靠性参数的损伤变化率并且平衡所述损伤变化率，以及针对每个功率管芯或功率模块确定使所述功率管芯或者所述功率模块的所述损伤变化率与所述损伤变化率的平均值之间的差最小化的温度增量并且将所述功率管芯和所述功率模块的温度增量与预定温度相加，所述损伤变化率被计算为：

37、

38、

39、因此，最小化损伤变化率之间的差允许最小化每个功率管芯或功率模块的损伤或退化水平之间的差。因此，可以增加整个系统的寿命。

40、根据特定特征，可靠性参数从寿命模型的先验知识被确定为：

41、

42、

43、其中，γ1和γ2从两个不同数量的温度循环确定，a1，0和a1，1表示第一功率管芯的连接的裂纹的长度值变化，a2，0和a2，1表示第二功率管芯的连接的裂纹的长度值变化，δt1为第一功率管芯或功率模块的温度循环，δt2为第二功率管芯或功率模块的温度循环。

44、因此，使用在线或离线模式基于裂纹长度测量结果来识别每个功率管芯或功率模块的可靠性参数。因此，不需要可靠性测试数据来定义每个功率管芯或功率模块的可靠性参数。

45、根据特定特征，通过根据可靠性的比较将功率管芯或功率模块的温度循环增加或减少增量并通过将增加或减少的温度循环与预定温度相加来确定每个功率管芯或者功率模块的参考温度。

46、因此，基于每个功率管芯或功率模块所施加的温度循环来控制和平衡每个功率管芯或功率模块的退化水平。

47、根据特定特征，可靠性参数从寿命模型的先验知识被确定为：

48、

49、

50、其中，δk1和δk2是功率管芯的应力强度因子，其分别是温度循环δt1和δt2的函数，并且其中，使用优化以便延长系统寿命，从而使用基于以下两个主要方程的解计算的两个功率管芯的应力强度因子δkref1和δkref2计算参考温度，目标是同时达到功率管芯的故障标准：

51、

52、

53、其中，n1表示系统寿命延长之前的给定循环数，n1在1和nf之间被选择，nf表示功率管芯故障的循环数。

54、通过阅读示例实施方式的以下描述，本发明的特征将更加清楚地显现，所述描述是参考附图提供的。