- 頭條河海大學科研團隊發表IGBT模塊壽命評估的綜述文章2022-02-09 作者：張軍、張犁、成瑜 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是電力電子系統實現電能變換與控制的核心組件之一。然而，工業界反饋的數據表明，應用于高可靠性場合的IGBT模塊可靠性并不高，其熱疲勞失效將會導致整個系統的非計劃停機。對IGBT模塊的預期使用壽命進行評估，將有助于指導電力電子裝置的定期維修，降低經濟損失。 相關研究表明，IGBT模塊的失效和溫度關系密切。河海大學能源與電氣學院的研究人員張軍、張犁、成瑜，在2021年第12期《電工技術學報》上撰文，從熱特性角度闡述IGBT模塊的壽命評估，并總結現有研究存在的難點，對IGBT模塊的壽命評估研究發展方向進行展望。
為促進我國產業結構的調整和優化，實現“中國制造”向“中國智造”的戰略轉型，一大批新技術走在了世界的前沿，如高速動車組列車、電動汽車及其充電樁、5G通信設備、交直流混合配電網、柔性直流輸電、新能源發電裝置等。這些新興科技的迅猛發展均離不開電力電子技術的使用，而作為電能變換與控制核心組件之一的IGBT模塊則成為傳統工業升級改造的關鍵。
與此同時，電力供電的持續穩定、交通運輸的安全暢通、通信傳遞的及時準確等各行業基本需求對IGBT模塊的可靠性也提出了越來越高的要求。然而工業界反饋的數據表明，應用于這些高可靠性大功率場合的IGBT模塊可靠性并不高，其失效將會迅速導致電力電子裝置，甚至整個系統的非計劃停機事件，進而造成重大的經濟損失，并危及國民經濟的正常發展。
以風力發電為例，2003～2017年涉及23個國家的風機故障數據統計結果表明，IGBT模塊失效導致了22%的變流器非計劃停機事件，是風電系統中最易出現故障的組件之一。此外，英國華威大學開展的一項涵蓋多個行業的工業調查結果表明，IGBT模塊是電力電子系統中是最容易發生失效的器件之一。因此，IGBT模塊的可靠性問題已經成為制約電力電子系統穩定可靠運行的關鍵性問題之一。
應用于電力電子系統的IGBT模塊，由于自身的開通關斷、處理功率的波動性以及外部運行環境的變化，長期承受不均衡的電熱應力，在運行過程中易產生熱疲勞，降低其可靠性。與常規的過電熱應力導致的IGBT模塊瞬間失效不同，熱疲勞失效是一個漸變的過程。可以通過增加保護 電路、優化產品設計來避免瞬間失效，而熱疲勞失效則是IGBT模塊在其正常壽命歷程中始終伴隨的必然失效。因此，如何提高IGBT模塊的可靠性是國內外學術界和工業界一直在進行研究的熱點問題。
已有的研究表明，壽命評估是提高IGBT模塊可靠性的關鍵技術之一。以IGBT模塊為代表的電力電子器件壽命評估與以往的電力系統可靠性評估具有明顯的區別，后者針對電力電子器件失效通常采用泊松分布來進行描述。然而由于電力電子裝置處理工況的波動性，IGBT模塊的可靠性會因為任務剖面的不同而產生差異。
與此同時，不同應用場合下IGBT模塊的典型壽命設計目標是不一樣的。比如，風力發電和太陽能發電系統中電力電子裝置預期使用壽命分別為20年和5～30年。因此，評估出IGBT模塊在一定工況下的預期使用壽命對于電力電子系統的定期計劃維修更加具有指導意義。
河海大學的研究人員圍繞IGBT模塊壽命評估的相關研究進行了歸納和總結，并對IGBT模塊壽命評估的未來發展方向進行了展望。
他們首先介紹IGBT模塊壽命評估的流程，然后梳理涉及壽命評估研究五個方面之間的邏輯聯系，其中失效機理是壽命評估的研究基礎，不同失效模式所采用的壽命模型并不一致。由于壽命評估是以結溫信息為主要因變量，又考慮長時間任務工況帶來的龐大計算量，結溫提取成為壽命評估的關鍵。此外，用于壽命評估的結溫計算通常是基于熱網絡模型和熱參數展開，因此科研人員對這兩方面的研究進展進行了總結。
基于上述研究現狀，研究人員認為IGBT模塊壽命評估主要存在兩個研究難點：一是大功率應用背景下IGBT模塊的多維熱網絡模型；二是壽命預測模型的離線測試與在線運行之間的等價性，特別是IGBT模塊壽命的在線預測。
圖1 IGBT模塊壽命評估流程
針對第一個難點可以借鑒一維熱網絡的建模過程：首先，基于熱傳導理論，建立多芯片工作下IGBT模塊內部傳熱行為的數學表征。然后，將傳熱行為數學表征按照熱流路徑方向進行分解并簡化為指數疊加的形式。最后，類比RC電路的端口響應，將傳熱行為數學表征用考爾型網絡進行等效，繼而建立起多維熱網絡模型。
針對第二個難點可以從以下方面入手：首先，開展多組不同工況的加速壽命試驗，分析得到每個工況下的壽命模型。然后，將多組工況組合成隨機工況再次進行加速壽命試驗，并得到IGBT模塊失效前熱循環次數。最后，對比壽命模型評估出的預期使用次數，分析二者之間的誤差，添加修正系數對原有的模型進行改進。
表1 壽命預測模型的對比
研究人員指出，雖然驗證壽命評估結果的準確性存在極大的挑戰，但是電力電子系統在一些關鍵場合的應用使得IGBT模塊可靠性評估迫在眉睫，如高速動車組的牽引變流器、直流輸配電系統等。這些系統通常采用了大量的IGBT模塊，隨著使用年限的逼近，正面臨著IGBT模塊的更新替換。如果在可靠性允許的范圍內，延期更換其零部件將會大幅度降低運維成本。
他們表示，預測器件壽命是一個理論和試驗相結合的復雜問題，而從目前一些其他大功率半導體器件（如IGCT）的研究成果來看，通過分析現場失效統計數據，結合失效率◆ （單位時間內的失效數量）或MTBF（平均無故障工作時間）等可靠性指標，也可以對IGBT模塊的可靠性進行評估，而這會成為IGBT模塊壽命預測未來發展的重要方向之一。
以上研究成果發表在2021年第12期《電工技術學報》，論文標題為“IGBT模塊壽命評估研究綜述”，作者為張軍、張犁、成瑜。
