河海大年夜学科研团队揭橥IGBT模块寿命评估的综述文章

干系研究表明，IGBT模块的失落效和温度关系密切。
河海大学能源与电气学院的研究职员张军、张犁、成瑜，在2021年第12期《电工技能学报》上撰文，从热特性角度阐述IGBT模块的寿命评估，并总结现有研究存在的难点，对IGBT模块的寿命评估研究发展方向进行展望。

中心打算机处理器Central Computer Processors

为促进我国度当构造的调度和优化，实现“中国制造”向“中国智造”的计策转型，一大批新技能走在了天下的前沿，如高速动车组列车、电动汽车及其充电桩、5G通信设备、交直流稠浊配电网、柔性直流输电、新能源发电装置等。
这些新兴科技的迅猛发展均离不开电力电子技能的利用，而作为电能变换与掌握核心组件之一的IGBT模块则成为传统工业升级改造的关键。

与此同时，电力供电的持续稳定、交通运输的安全畅通、通信通报的及时准确等各行业基本需求对IGBT模块的可靠性也提出了越来越高的哀求。
然而工业界反馈的数据表明，运用于这些高可靠性大功率场合的IGBT模块可靠性并不高，其失落效将会迅速导致电力电子装置，乃至全体系统的非操持停机事宜，进而造成重大的经济丢失，并危及国民经济的正常发展。

以风力发电为例，2003～2017年涉及23个国家的风机故障数据统计结果表明，IGBT模块失落效导致了22%的变流器非操持停机事宜，是风电系统中最易涌现故障的组件之一。
此外，英国华威大学开展的一项涵盖多个行业的工业调查结果表明，IGBT模块是电力电子系统中是最随意马虎发生失落效的器件之一。
因此，IGBT模块的可靠性问题已经成为制约电力电子系统稳定可靠运行的关键性问题之一。

运用于电力电子系统的IGBT模块，由于自身的开通关断、处理功率的颠簸性以及外部运行环境的变革，长期承受不屈衡的电热应力，在运行过程中易产生热疲倦，降落其可靠性。
与常规的过电热应力导致的IGBT模块瞬间失落效不同，热疲倦失落效是一个渐变的过程。
可以通过增加保护 电路、优化产品设计来避免瞬间失落效，而热疲倦失落效则是IGBT模块在其正常寿命进程中始终伴随的一定失落效。
因此，如何提高IGBT模块的可靠性是国内外学术界和工业界一贯在进行研究的热点问题。

已有的研究表明，寿命评估是提高IGBT模块可靠性的关键技能之一。
以IGBT模块为代表的电力电子器件寿命评估与以往的电力系统可靠性评估具有明显的差异，后者针对电力电子器件失落效常日采取泊疏松布来进行描述。
然而由于电力电子装置处理工况的颠簸性，IGBT模块的可靠性会由于任务剖面的不同而产生差异。

与此同时，不同运用处所下IGBT模块的范例寿命设计目标是不一样的。
比如，风力发电和太阳能发电系统中电力电子装置预期利用寿命分别为20年和5～30年。
因此，评估出IGBT模块在一定工况下的预期利用寿命对付电力电子系统的定期操持维修更加具有辅导意义。

河海大学的研究职员环绕IGBT模块寿命评估的干系研究进行了归纳和总结，并对IGBT模块寿命评估的未来发展方向进行了展望。

他们首先先容IGBT模块寿命评估的流程，然后梳理涉及寿命评估研究五个方面之间的逻辑联系，个中失落效机理是寿命评估的研究根本，不同失落效模式所采取的寿命模型并不一致。
由于寿命评估因此结温信息为紧张因变量，又考虑永劫光任务工况带来的弘大打算量，结温提取成为寿命评估的关键。
此外，用于寿命评估的结温打算常日是基于热网络模型和热参数展开，因此科研职员对这两方面的研究进展进行了总结。

基于上述研究现状，研究职员认为IGBT模块寿命评估紧张存在两个研究难点：一是大功率运用背景下IGBT模块的多维热网络模型；二是寿命预测模型的离线测试与在线运行之间的等价性，特殊是IGBT模块寿命的在线预测。

图1 IGBT模块寿命评估流程

针对第一个难点可以借鉴一维热网络的建模过程：首先，基于热传导理论，建立多芯片事情下IGBT模块内部传热行为的数学表征。
然后，将传热行为数学表征按照热流路径方向进行分解并简化为指数叠加的形式。
末了，类比RC电路的端口相应，将传热行为数学表征用考尔型网络进行等效，继而建立起多维热网络模型。

针对第二个难点可以从以下方面入手：首先，开展多组不同工况的加速寿命试验，剖析得到每个工况下的寿命模型。
然后，将多组工况组合成随机工况再次进行加速寿命试验，并得到IGBT模块失落效前热循环次数。
末了，比拟寿命模型评估出的预期利用次数，剖析二者之间的偏差，添加改动系数对原有的模型进行改进。

表1 寿命预测模型的比拟

研究职员指出，虽然验证寿命评估结果的准确性存在极大的寻衅，但是电力电子系统在一些关键场合的运用使得IGBT模块可靠性评估迫不及待，如高速动车组的牵引变流器、直流输配电系统等。
这些系统常日采取了大量的IGBT模块，随着利用年限的逼近，正面临着IGBT模块的更新更换。
如果在可靠性许可的范围内，延期改换其零部件将会大幅度降落运维本钱。

他们表示，预测器件寿命是一个理论和试验相结合的繁芜问题，而从目前一些其他大功率半导体器件（如IGCT）的研究成果来看，通过剖析现场失落效统计数据，结合失落效率 （单位韶光内的失落效数量）或MTBF（均匀无端障事情韶光）等可靠性指标，也可以对IGBT模块的可靠性进行评估，而这会成为IGBT模块寿命预测未来发展的主要方向之一。

以上研究成果揭橥在2021年第12期《电工技能学报》，论文标题为“IGBT模块寿命评估研究综述”，作者为张军、张犁、成瑜。