电动汽车驱动系统IGBT寿命失效的本质揭秘 | 两个案例说明失效从哪里来？到哪里去？

- 关于英飞凌IGBT可靠性的学习总结节选，全文10200字

- 文字原创， Mr.H

- SysPro系统工程智库内部学习用，非授权不得转载

| SysPro备注：

• 功率循环(PC)：当元件在工作时，由于电流和电压的变化，其内部会产生热量，导致结温上升和下降，主要考察元件在反复功率变化下的耐用性和稳定性。

• 热循环(TC)：与功率循环不同，关注的是元件外部焊接点（solder joint）和外壳（case）的温度变化（简称∆TC），主要考察元件在温度变化环境下的可靠性和耐久性。

电动汽车驱动系统IGBT可靠性指南(上)

• 1.1 IGBT的负载条件分析
• 1.2 PC与TC的本质 

• ->功率循环（PC）

• ->热循环（TC）

• 2.1 功率循环应力与影响因素 (知识星球发布)
• -> 提升可靠性的常规技术手段
• -> PC带来的应力及影响因素
• 2.2 与PC相关的关键技术参数说明 (知识星球发布)
• 结温温度：Tvj
• 最大结温温度：Tvj,max
• 平均结温温度：Tvj,mean
• 关断时间：toff
• 导通时间：ton

• 功率循环周期：tcyc

• 额定电流：Inom

• 2.3 关于PC失效常见的问题 (知识星球发布)
• 2.4 应用实例说明 

• 2.4.1 案例1：IGBT连续工作

• 2.4.2 案例2：IGBT间歇式工作

电动汽车驱动系统IGBT可靠性指南(下)

3. 热循环(TC) (知识星球发布)

• 3.1 热循环应力产生机理及影响

• ->热膨胀冷却系数带来的问题

• ->热膨胀冷却系数解决办法

• 3.2 案例说明

4. IGBT疲劳寿命数据分析方法说明：雨流计数法  (知识星球发布)

• 4.1 为什么要用雨流计数法？

• 4.2 什么是雨流计数法？"雨流"怎么流?

• 4.3 案例说明雨流计数的方法

• 4.4 基于雨流法的IGBT寿命估算

注: 本篇为节选，完整内容会在知识星球发布(点击文末"阅读原文")

电动汽车驱动系统IGBT可靠性指南(上)

IGBT的负载类型：功率循环(PC)、热循环(TC)

对于功率半导体，主要面临的两种不同类型的循环能力测试：功率循环(PC)和热循环(TC)，它们分别与不同的温度变化有关。

那么，究竟什么是PC和TC？下面我逐个解释下。

定义：这种循环能力测试关注的是元件内部结温（junction temperature，简称∆Tvj）的变化。简单来说，就是当元件在工作时，由于电流和电压的变化，其内部会产生热量，导致结温上升和下降。这种由功率变化引起的温度循环，就是功率循环（PC）。

主要考察：元件在反复功率变化下的耐用性和稳定性。 

定义：与功率循环不同，热循环关注的是元件外部焊接点（solder joint）和外壳（case）的温度变化（简称∆TC）。这是因为元件在工作时，不仅内部会产生热量，还会通过外壳和焊接点与外界环境进行热交换。当环境温度或元件散热条件发生变化时，焊接点和外壳的温度也会随之变化，形成热循环。

主要考察：这种测试主要考察元件在温度变化环境下的可靠性和耐久性。

OK，了解了PC和TC，那么在两种不同的负载应力下，存在哪些潜在的失效模式呢？其失效机制是什么？我们又要如何预防、验证和优化呢？下面，我们接着聊。

2. 功率循环（PC） (知识星球发布)

• 2.1 功率循环应力与影响因素  (知识星球发布)

• -> 提升可靠性的常规技术手段

• -> PC带来的应力及影响因素

• 2.2 与PC相关的关键技术参数说明 (知识星球发布)

• 结温温度：Tvj

• 最大结温温度：Tvj,max

• 平均结温温度：Tvj,mean

• 关断时间：toff

• 导通时间：ton

• 功率循环周期：tcyc
• 额定电流：Inom
• 2.3 关于PC失效常见的问题 (知识星球发布)

2.4 应用实例说明

我们还是聚焦于电动汽车驱动系统中的逆变器，假设逆变器是间歇工作的，每次工作开通10s，然后关断50s，形成一个工作循环。在这个工作过程中，逆变器中的IGBT会因为负载而发热。具体来说，结温会从85°C上升到125°C。这意味着每次工作循环中，IGBT的结温都会经历一个40°C的温差变化，即∆Tvj=40 K.

如下图所示为功率循环数在不同∆Tvj下的变化情况。我们看到当∆Tvj=40K时，且最高结温Tvjmax=125°C的条件下，可以承受230万次循环。但是需要注意：因为每次工作的时间是10s，所以我们不能直接用这个数字。那怎么办呢？

我们需要从下面这张图表中找到一个修正因子，这个因子是0.57。因此，我们需要将230万次循环乘以0.57来得到更准确的循环次数。经计算，最终的结果是130万次循环。如果设备是连续工作的话，如开头我们提到的每个工作循环的时间是60s（即每分钟一个循环），那么在这种使用情况下，设备的预期使用寿命可以达到21,666h。是不是很简单？：）

图片来源：英飞凌

下面再看一个IGBT间歇式工作的例子。

2.4.2 案例2：IGBT间歇式工作

（知识星球中发布）

• 当元件首次工作时（即第一个脉冲），它的内部结温会从某个初始温度上升到更高的温度，这个温度上升的幅度是40度（即∆Tvj=40 K；
• 随后，在每个工作周期中，元件会经历三次较短的工作时间，每次工作时结温也会上升，但这次上升的幅度较小，只有20度（即∆Tvj=20 K）。

如我们再2.4.1中所述一样，这个案例中元件在结温最大变化∆Tvj=40 K且最高结温达到125°C的条件下，能够经受住230万次这样的工作周期而不损坏。

到目前为止，得到的结果和第一个例子一样。但是！我们还需要考虑更多的负载周期，怎么做呢？在PC图表中，当元件的内部结温变化∆Tvj=20 K时，它能承受4.5亿次工作周期。然而，如果每次工作的时间ton只有0.5s...

每次单独的负载脉冲都会消耗元件的一部分寿命。那么，由四个脉冲构成一个周期的负载序列，总共可以实现的多少个周期呢？需要使用下面的公式...

热循环（TC）

（知识星球中发布）

3.1 热循环应力产生机理及影响

在文章开头提到过：热循环(TC)与功率循环(PC)不同，热循环关注的是元件外部焊接点（solder joint）和外壳（case）的温度变化（简称∆T_C）。这是因为元件在工作时，不仅内部会产生热量，还会通过外壳和焊接点与外界环境进行热交换。当环境温度或元件散热条件发生变化时，焊接点和外壳的温度也会随之变化，形成热循环。所以，对于IGBT，我们要从基板切入，了解TC的机理。

3.2 案例说明...

04

（知识星球中发布）

4.1 为什么要用雨流计数法？

为了估算IGBT的预期寿命，我们需要统计在特定条件下，TA经历的温度循环次数。这些温度循环可以是基于结温T_vj(t)来评估功率循环的影响，或者是基于外壳温度T_c(t)来评估热循环的影响。那么，采用什么样的方法来统计呢？...

这个算法的作用是把那些复杂多变的应力变化简化为一系列简单的循环次数。即，把复杂的温度变化过程"翻译"成更容易理解和计算的几个简单循环，从而帮助我们更好地评估设备的疲劳寿命。其工作方式是这样的...

IGBT疲劳耐久相拓展阅读、设计指南、培训视频已在星球「SysPro|视频培训|控制器」专栏发布。建议大家结合5月17日更新的培训视频<IGBT功率模块讲解>一同学习，视频链接：电动汽车动力总成工程师的武器库。

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