一种考虑IGBT模块键合线失效的寿命预测方法及系统与流程

一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测方法及系统
技术领域
1.本发明涉及igbt模块寿命预测领域，特别是涉及一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测方法及系统。


背景技术：

2.随着新能源发电、轨道交通、智能电网、电动汽车等新兴产业的蓬勃发展，电力电子装备的长时间安全运行关系整个系统的稳定，因此电力电子装备可靠性评估成为当前研究人员关注的焦点。绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)模块作为功率开关器件被广泛应用于换流器中。现有的igbt模块寿命评估方法一般是通过建立完好器件的热网络模型计算结温曲线，以此为基础预测寿命，未考虑键合线断裂需更新热网络模型，造成结温计算不准确，进而导致寿命预测结果偏高。
3.因此，亟需提供一种新的寿命预测方法或系统，以提高igbt模块的寿命预测结果的准确性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测方法及系统，能够提高igbt模块的寿命预测结果的准确性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测方法，包括：
7.根据igbt模块的在线监测数据判断igbt模块的健康状态；所述在线监测数据包括：键合线的断裂条数；所述健康状态包括：键合线的断裂条数为0的健康模块以及键合线的断裂条数不为0的老化模块；
8.当igbt模块为健康模块时，直接获取瞬态阻抗曲线，并根据瞬态阻抗曲线确定rc热网络模型，进而进行功率循环实验，实现寿命预测；
9.当igbt模块为老化模块时，根据瞬态热阻抗测量试验测得igbt模块当前的瞬态热阻抗曲线，并利用当前的瞬态热阻抗曲线确定当前的rc热网络模型，进而进行功率循环实验，实现寿命预测。
10.可选地，所述当igbt模块为老化模块时，根据瞬态热阻抗测量试验测得igbt模块当前的瞬态热阻抗曲线，并利用当前的瞬态热阻抗曲线确定当前的rc热网络模型，进而进行功率循环实验，实现寿命预测，具体包括：
11.对当前的瞬态热阻抗曲线进行拟合，确定当前的rc热网络模型；
12.在当前的rc热网络模型下进行功率循环实验，确定igbt模块的结温变化曲线；
13.根据结温变化曲线确定一个周期内的结温数据；所述结温数据包括：平均结温和结温波动作；
14.根据结温数据，采用寿命预测模型和疲劳累积算法进行寿命预测。
15.可选地，所述对当前的瞬态热阻抗曲线进行拟合，确定当前的rc热网络模型，具体
包括：
16.利用进行拟合；
17.其中，ri和ci为拟合的电阻和电容，t为时间，n为剩余键合线数量，z
th
为瞬态热阻曲线，e为自然对数，i为拟合的rc热网络模型的阶数。
18.可选地，所述根据结温数据，采用寿命预测模型和疲劳累积算法进行寿命预测，具体包括：
19.利用公式确定寿命预测模型；
20.其中，nf为某载荷下的失效循环次数，tj为结温，t
javg
为平均结温，δtj为结温波动，eb为激活能，eb＝9.89
×
10-20j，kb为波尔兹曼常数，kb＝1.38
×
10-23j
·
k-1
，α，n均为老化实验参数，α＝97.2231，n＝3.1292。
21.一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测系统，包括：
22.健康状态判断模块，用于根据igbt模块的在线监测数据判断igbt模块的健康状态；所述在线监测数据包括：键合线的断裂条数；所述健康状态包括：键合线的断裂条数为0的健康模块以及键合线的断裂条数不为0的老化模块；
23.寿命预测第一模块，用于当igbt模块为健康模块时，直接获取瞬态阻抗曲线，并根据瞬态阻抗曲线确定rc热网络模型，进而进行功率循环实验，实现寿命预测；
24.寿命预测第二模块，用于当igbt模块为老化模块时，根据瞬态热阻抗测量试验测得igbt模块当前的瞬态热阻抗曲线，并利用当前的瞬态热阻抗曲线确定当前的rc热网络模型，进而进行功率循环实验，实现寿命预测。
25.可选地，所述寿命预测第二模块具体包括：
26.rc热网络模型确定单元，用于对当前的瞬态热阻抗曲线进行拟合，确定当前的rc热网络模型；
27.结温变化曲线确定单元，用于在当前的rc热网络模型下进行功率循环实验，确定igbt模块的结温变化曲线；
28.结温数据确定单元，用于根据结温变化曲线确定一个周期内的结温数据；所述结温数据包括：平均结温和结温波动作；
29.寿命预测单元，用于根据结温数据，采用寿命预测模型和疲劳累积算法进行寿命预测。
30.可选地，所述rc热网络模型确定单元具体包括：
31.rc热网络模型确定子单元，用于利用进行拟合；
32.其中，ri和ci为拟合的电阻和电容，t为时间，n为剩余键合线数量，z
th
为瞬态热阻曲线，e为自然对数，i为拟合的rc热网络模型的阶数。
33.可选地，所述寿命预测单元具体包括：
34.寿命预测模型确定子单元，用于利用公式确定寿命预测模型；
35.其中，nf为某载荷下的失效循环次数，tj为结温，t
javg
为平均结温，δtj为结温波
动，eb为激活能，eb＝9.89
×
10-20j，kb为波尔兹曼常数，kb＝1.38
×
10-23j
·
k-1
，α，n均为老化实验参数，α＝97.2231，n＝3.1292。
36.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
37.本发明所提供的一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测方法及系统，根据键合线的断裂条数判断igbt模块的健康状态，即考虑键合线断裂影响电热特性，进而对瞬态热阻抗曲线的影响。本发明分析了键合线断裂的igbt模块的瞬态热阻抗变化情况，使用了在线得到的键合线数量监测结果，两者结合可用于后续对键合线断裂模块的寿命计算中，无需破坏器件结构，使寿命评估中考虑到运行中键合线健康状态，提高寿命评估精度。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明所提供的一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测方法流程示意图；
40.图2为健康模块和键合线失效的瞬态热阻抗曲线对比图(n为剩余键合线数量)；
41.图3为rc热网络模型的电路示意图；
42.图4为热网络模型示意图；
43.图5为本发明所提供的一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测系统结构示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.本发明的目的是提供一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测方法及系统，能够提高igbt模块的寿命预测结果的准确性。
46.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
47.图1为本发明所提供的一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测方法，包括：
48.s101，根据igbt模块的在线监测数据判断igbt模块的健康状态；所述在线监测数据包括：键合线的断裂条数；所述健康状态包括：键合线的断裂条数为0的健康模块以及键合线的断裂条数不为0的老化模块。
49.s102，当igbt模块为健康模块时，直接获取瞬态阻抗曲线，并根据瞬态阻抗曲线确定rc热网络模型，进而进行功率循环实验，实现寿命预测。
50.igbt模块为健康模块时，瞬态阻抗曲线是根据瞬态热阻抗测量实验确定之后，记
录在数据手册上；即可以直接从数据手册中获取。
51.瞬态热阻抗测量实验的步骤包括：
52.s1，实验前将igbt模块放置于恒温平台上。断开开关k，通以小电流i
c1
，控制恒温平台温度tj在30-150℃阶梯上升，示波器测量不同温度下的集射极电压v
ce
。
53.s2，利用不同温度下的集射极电压v
ce
和对应温度tj拟合出两者的线性方程tj＝a*v
ce
b(a，b为拟合的参数)。
54.s3，移动igbt模块至风冷散热器上，闭合开关k，通以大电流i
c2
和小电流i
c1
至器件达到热平衡(结温不变表现为集射极电压v
ce
趋于稳定)。
55.s4，断开开关k，只剩小电流i
c1
，此时igbt模块处于降温阶段，使用示波器采集结温阶段集射极电压v
ce
。
56.s5，利用s2中结温tj和集射极电压v
ce
的线性公式tj＝a*v
ce
b，计算得出降温阶段v
ce
每一时刻的对应结温，得到降温阶段结温随时间变化曲线。
57.s6，瞬态热阻抗计算公式其中，tj(0)为初始结温，tj(t)为降温过程t时刻的结温，p为igbt模块的损耗功率。
58.s103，当igbt模块为老化模块时，根据瞬态热阻抗测量试验测得igbt模块当前的瞬态热阻抗曲线，并利用当前的瞬态热阻抗曲线确定当前的rc热网络模型，进而进行功率循环实验，实现寿命预测。当前的瞬态热阻抗曲线如图2所示。
59.当igbt模块为老化模块时，人工剪断键合线重复上述s1-s6，即可测量不同键合线数量下的瞬态热阻抗曲线。
60.键合线电气连接集电极和发射极，多根键合线并行放置用来通流ic，每次测量试验过程中递减进行键合线的剪短，直至最终只剩一条键合线即可。
61.s103具体包括：
62.对当前的瞬态热阻抗曲线进行拟合，确定当前的rc热网络模型如图4所示。
63.如图3所示，拟合出的ri、ci，为4阶电路的电容电阻，利用进行拟合；其中，ri和ci为拟合的电阻和电容，t为时间，n为剩余键合线数量，z
th
为瞬态热阻曲线，e为自然对数，i为拟合的rc热网络模型的阶数。
64.在当前的rc热网络模型下进行功率循环实验，确定igbt模块的结温变化曲线。
65.根据结温变化曲线确定一个周期内的结温数据；所述结温数据包括：平均结温和结温波动作。
66.根据结温数据，采用寿命预测模型和疲劳累积算法进行寿命预测。利用公式确定寿命预测模型。
67.其中，nf为某载荷下的失效循环次数，tj为结温，t
javg
为平均结温，δtj为结温波动，eb为激活能，eb＝9.89
×
10-20j，kb为波尔兹曼常数，kb＝1.38
×
10-23j
·
k-1
，α，n均为老化实验参数，α＝97.2231，n＝3.1292。
68.图5为本发明所提供的一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测系统结构示意图，如图5所示，本发明所提供的一种考虑igbt模块键合线失效的寿命预测系统，包括：
69.健康状态判断模块501，用于根据igbt模块的在线监测数据判断igbt模块的健康
状态；所述在线监测数据包括：键合线的断裂条数；所述健康状态包括：键合线的断裂条数为0的健康模块以及键合线的断裂条数不为0的老化模块。
70.寿命预测第一模块502，用于当igbt模块为健康模块时，直接获取瞬态阻抗曲线，并根据瞬态阻抗曲线确定rc热网络模型，进而进行功率循环实验，实现寿命预测。
71.寿命预测第二模块503，用于当igbt模块为老化模块时，根据瞬态热阻抗测量试验测得igbt模块当前的瞬态热阻抗曲线，并利用当前的瞬态热阻抗曲线确定当前的rc热网络模型，进而进行功率循环实验，实现寿命预测。
72.所述寿命预测第二模块503具体包括：
73.rc热网络模型确定单元，用于对当前的瞬态热阻抗曲线进行拟合，确定当前的rc热网络模型。
74.结温变化曲线确定单元，用于在当前的rc热网络模型下进行功率循环实验，确定igbt模块的结温变化曲线。
75.结温数据确定单元，用于根据结温变化曲线确定一个周期内的结温数据；所述结温数据包括：平均结温和结温波动作。
76.寿命预测单元，用于根据结温数据，采用寿命预测模型和疲劳累积算法进行寿命预测。
77.所述rc热网络模型确定单元具体包括：
78.rc热网络模型确定子单元，用于利用进行拟合。
79.其中，ri和ci为拟合的电阻和电容，t为时间，n为剩余键合线数量，z
th
为瞬态热阻曲线，e为自然对数，i为拟合的rc热网络模型的阶数。
80.所述寿命预测单元具体包括：
81.寿命预测模型确定子单元，用于利用公式确定寿命预测模型。
82.其中，nf为某载荷下的失效循环次数，tj为结温，t
javg
为平均结温，δtj为结温波动，eb为激活能，eb＝9.89
×
10-20j，kb为波尔兹曼常数，kb＝1.38
×
10-23j
·
k-1
，α，n均为老化实验参数，α＝97.2231，n＝3.1292。
83.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
84.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。