 3 IGBT使用寿命分析与评估 3.1 研究思路 根据IGBT失效模式可知，结温变化是影响其使用寿命的主要因素。评估IGBT的使用寿命就需要首先获得其在用 户工况下的结温曲线，然后结合IGBT功率循环寿命曲线， 应用累积损伤理论评估IGBT的使用寿命，具体分析步骤如 图13所示。这其中主要关键点及难点如下所述。  1） 用户代表工况选取，目前采用NEDC或者CLTC工况。 2） 工况中结温测量和结温曲线的获取，实车中很难通 过布置传感器的方案来直接获取结温曲线。目前有两种可 行方法：一种是通过计算功率损耗，结合热仿真模型获得；另一种是通过间接的热敏感电参数法获取相应的结温曲线， 详见3.3.2分析。 3） 温度分布：采用雨流法分析。 4） IGBT寿命曲线，一般由IGBT模块厂家提供。 5） 寿命评估，使用温度分布数据和IGBT寿命曲线结合 损伤理论进行寿命评估。 3.2 IGBT结温测试的几种方法 3.2.1 物理接触测量法 把热敏电阻或热电偶等测温元器件焊接于IGBT内部， 从而获取模块内部基板的温度。测试方便但存在较大测量 误差，如图14所示。  3.2.2 光学非接触测量法 先将IGBT模块打开， 除去透明硅脂，然后将IG－ BT芯片表面涂黑，以提高 温度测量准确性，最后通 过热像仪等采用红外热成像 方法测试结温。属于破坏性 测量方法，如图15所示。3.2.3 热敏感电参数法 利用半导体功率器件内部微观物理参数与器件温度具 有一一对应的映射关系，将芯片本身作为温度传感部件， 将其自身难测的内部温度信息反映在模块外部易测的电气 信号上，对芯片结温进行逆向提取，如图16所示。  3.3 试验方案 3.3.1 任务曲线建立 为了保证IGBT模块使用寿命的可比性，通常采用标准 的驾驶循环作为基本工况。国内一般采用NEDC （New Eu－ ropean Driving Cycle，新标欧洲循环测试） 或CLTC （China Light-duty Vehicle Test Cycle，中国轻型汽车行驶工况） 作 为基本工况。以CLTC工况为例，采集电机控制器在此工况 下的电压电流值，如图17所示。  3.3.2 结温曲线 本文采用热敏感电参数法反推获得IGBT模块在CLTC工 况下的结温曲线。 1） 温度系数 （K-factor） 测试 参考JESD51-1 《集成电路热测试方法》 测试K系数。测 试步骤如下：设定好温度环境TL0，当器件外壳温度稳定时 给IGBT模块施加小电流 （10mA） 记录集电极和发射极间压 降大小VL0，然后将环境温度升高到THi，按上述要求记录此 时压降。两次温度值的差值除以电压差值即为K系数。  通过Power Tester 1800A功率循环测试仪测试K系数 （图18），结果如下：K-Factor：-2.694mV/℃。  2） 瞬态热测试 （负载） 测试原理图如图19所示。根据任务曲线得到的负载电 流，基于能量守恒，采用MATLAB软件将电流谱处理成300 个恒定电流值便于实际加载测试。测试方法如下：①在IG－ BT Gate上加上15V电压，使Gate完全打开，在CE之间用大 电流加热，使之达到热平衡；②在器件达到热平衡之后， 瞬间从大电流切换到小电流 （10mA），测量压降Vce；③测试 结果如图20所示，根据K系数中结温与Vce的之间的关系，得 出CLTC工况下的结温曲线，如图21所示。  3.3.3 温度分布 （ΔT） Ncode雨流分析流程如图22所示。为了将任务曲线引起 的结温变化与功率循环寿命曲线进行比较，采用雨流计 数法统计不同结温变化ΔT出现的频次。温度分布ΔT如图 23所示。  3.3.4 功率循环寿命曲线 研究发现当温度变化过程中的最高结温小于120℃时， 可以利用Coffin-Manson模型进行预测，该模型被广泛用于描 述半导体模块PC过程的失效规律。后经Arrhenuis修正，将 平均结温Tjm纳入考核范围，得到LESIT模型：  随着封装技术的改进，IGBT模块的寿命有了很大提高。焊 料层疲劳成为与键合线同等重要的失效机制。2008年Bayerer 考虑到功率循环试验中温度波动范围、最大结温Tjmax、模块 键合线直径D、直流端电流i、阻断电压V等因素都会对器件 寿命造成影响，得到了CIPS多参数模型：  通过功率循环试验确定模型参数，绘制如图24所示的 功率循环寿命曲线。  3.3.5 IGBT寿命评估 根据温度分布ΔT，并参考功率循环寿命曲线，将一个 驾驶循环中所有ΔT下的损伤相对其出现的频次加权求和， 可得到一个驾驶循环下的累积损伤。该累积损伤的倒数即 是功率模块的使用寿命，即：  式中：ni ———在一个驾驶循环中，ΔTj出现的次数；Ni ———在功率循环寿命曲线中，ΔTj 对应的循环次数；Nf ——— 功率模块使用寿命。 通常整车的使用寿命是30万公里，一个CLTC的行驶里 程大约是14.48km，则整车至少需要运行20718个CLTC才满 足寿命要求，通过计算Nf =13973605，远大于20718，满足整 车的使用寿命要求。 4 电控总成IGBT加速试验 既然IGBT失效占电控总成失效的绝大多数，那么电控总 成试验中IGBT的考核是否足够？如何进行IGBT加速试验呢？ 通过上述分析可知，IGBT模块的结温变化是影响其工 作寿命与可靠性的主要因素。因此在总成试验中，结温变 化的幅度和频次将直接影响其使用寿命。以冷热冲击试验 为代表的被动“功率循环试验”将是一个很好的试验方案。 由于该试验工作模式1.1，属于被动加热引起的结温变 化，其中ΔT=125℃、N0=215次，远低于行标要求。根据IG－ BT热循环寿命曲线 （图25），当ΔT=125℃时寿命循环数N1约 3000次，故冷热冲击试验考核仅占全寿命周期的7.2%，属 于考核偏弱，可适当增加循环数或加大温度变化范围，如 表2所示。  此外，通过分析NEDC或CLTC等驾驶工况可知，主动 “功率循环”产生的结温变化频次较多，但幅度偏小。以 CLTC工况为例，根据3.3.3雨流分析结果可知ΔTmax=25℃，根 据IGBT寿命曲线则需要至少107循环数。在兼顾其它部件的 考核基础上合理修正工况，如增加启停或急加/减速工况也 是一种可行的加速试验方案。 5 总结 本文通过介绍IGBT模块的结构、失效模式等说明热疲 劳是影响IGBT使用寿命的主要因素。并基于此建立了IGBT 使用寿命评估方法，将整车设计寿命与IGBT使用寿命结合 起来，从而能够从行驶里程的角度快速评估IGBT功率模块 是否能够满足整车使用寿命的要求。此外，针对电控总成 的试验现状，提出在总成级试验中进行IGBT加速试验的可行性。对于主动“功率循环”试验，如何优化试验工况， 提升ΔTmax进行加速试验还需要进一步研究。当前以SiC和 GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料开始逐渐应用在新能 源汽车上，其可靠性也将是我们后续关注的方向。 |
