本文關(guān)鍵詞：計及低強度熱載荷疲勞累積效應(yīng)的IGBT功率器件壽命模型研究

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【摘要】：隨著我國新能源電力的規(guī)�；_發(fā),新能源發(fā)電(包括風(fēng)電、光伏和海洋潮汐流發(fā)電等)裝機容量快速增長,對功率變流器的容量、效率和可靠性的要求越來越高。特別是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行條件惡劣,風(fēng)電變流器功率器件長期處于交變的疲勞載荷下,加速了材料和內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)的老化,導(dǎo)致故障率增高。因此提高變流器可靠性、降低設(shè)備故障風(fēng)險和運維成本顯得尤為迫切和重要,而提高變流器可靠性很大程度上依賴于較為準(zhǔn)確的壽命評估模型。近年來對半導(dǎo)體功率器件的可靠性和壽命模型研究受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,主要在大熱載荷沖擊下進行加速老化試驗的基礎(chǔ)上建立壽命建模。而功率器件運行中實際承受的熱循環(huán)(結(jié)溫波動)一般為40°C左右,與基于70°C以上熱循環(huán)的加速老化壽命試驗相去甚遠�，F(xiàn)有的壽命模型不能有效反映低強度交變熱應(yīng)力沖擊對器件壽命的影響。因此需要突破傳統(tǒng)的加速老化壽命試驗方法,從熱應(yīng)力作用的實際機理出發(fā),提出新的思路和壽命評估方法,建立更貼近實際情況的壽命模型。本文針對目前國內(nèi)外普遍關(guān)注的難題,即如何表征長期低強度熱應(yīng)力沖擊在器件壽命消耗中的作用,進行深入的理論分析和系列測試實驗研究。分析器件性能衰退和失效演化的過程,建立計及疲勞累積效應(yīng)、定量化描述持續(xù)小幅度溫度沖擊對IGBT器件熱疲勞壽命的作用效果的壽命評估模型。圍繞這一主題,本文展開了以下幾個方面的研究工作:(1)搭建功率循環(huán)試驗平臺,設(shè)計了不同應(yīng)力水平的極限載荷功率試驗,分析IGBT模塊在大載荷下的失效過程,提取了不同失效方式的特征參數(shù)。通過分析Coffin-Manson模型缺點,建立了融入平均結(jié)溫作用的壽命模型。通過定量分析結(jié)溫差和平均結(jié)溫的作用強度,并與模塊物理失效過程進行比對,改進了Coffin-Manson-Arrhenius模型,通過對比分析表明了改進的Arrhenius模型精度更高。研究了在大載荷沖擊下(加速老化)IGBT模塊的失效機制,并證明了焊料層疲勞老化是主要的失效方式,為研究低強度熱載荷對器件壽命的影響提供了試驗基礎(chǔ)。(2)建立了基于電-熱-機多物理場效應(yīng)分析模型,分析了半導(dǎo)體功率模塊在不同運行條件下的溫度、瞬態(tài)熱應(yīng)力分布,尤其是器件焊料層故障下在裂縫尖端分析瞬態(tài)熱應(yīng)力的分布,并在相同平均結(jié)溫下定量分析了溫度波動范圍和應(yīng)力差的關(guān)系,為小載荷試驗的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。分析了不同載荷水平對不同老化程度(根據(jù)熱阻的增量判定)的影響規(guī)律,并驗證了試驗結(jié)果的可重復(fù)性,提取了模塊在不同載荷和失效程度下的熱阻退化率,為建立壽命模型提供數(shù)據(jù)支撐。通過數(shù)值仿真和系列試驗證明了低強度熱載荷對器件壽命的影響。(3)根據(jù)模塊失效過程中熱阻變化規(guī)律和器件退化的通用模型,提取了在大載荷沖擊下的熱阻退化指數(shù),并在提取的小載荷失效信息的基礎(chǔ)上計算出小載荷影響下的退化指數(shù),建立了退化指數(shù)計算模型。根據(jù)Coffin-Manson模型與退化指數(shù)模型建立了基于溫度循環(huán)的非線性疲勞累積損傷模型,以單一、多載荷曲線對模型進行驗證,結(jié)果表明所建壽命模型具有較好的精度,反映了長期低強度熱應(yīng)力作用機制,改進了現(xiàn)有的非線性疲勞累積模型。(4)通過對模塊熱阻參數(shù)變化過程及裂紋產(chǎn)生和擴展的演化過程分析,提出了基于小載荷作用機制的分段式疲勞累積損傷模型。其中在線性區(qū)采用Miner線性累積模型,在非線性區(qū)融入大、小載荷在不同健康狀態(tài)下的作用效果,建立了累積增長率計算模型。并對模型進行驗證,結(jié)果表明模型精度較高。該模型反映了大幅度溫度沖擊和持續(xù)性小幅度溫度循環(huán)與壽命之間的關(guān)系,為功率器件的壽命預(yù)測和可靠性設(shè)計提供了新的方法。(5)在隨機載荷下對壽命模型進行對比分析,表明所建立的壽命模型能提供更加貼近實際的預(yù)測結(jié)果。通過分析不同條件下的壽命評估結(jié)果,總結(jié)出了載荷水平對模塊失效的作用范圍。在實際風(fēng)速變化影響下對雙饋電機機側(cè)變流器功率器件進行分析,結(jié)果表明環(huán)境溫度、開關(guān)頻率對器件壽命影響較大。本文嘗試性的解決了業(yè)界普遍關(guān)注的問題:傳統(tǒng)的壽命模型不能反映長期低強度熱載荷產(chǎn)生的疲勞累積效應(yīng),無法準(zhǔn)確預(yù)測器件工作壽命。并定性、定量的分析了低強度載荷對器件壽命的影響,建立了反映長期低強度應(yīng)力作用下的疲勞累積效應(yīng)與IGBT功率模塊壽命消耗之間的關(guān)系模型,提出基于器件當(dāng)前狀態(tài)和疲勞累積效應(yīng)的壽命評估模型。這不僅為新能源電力、電動汽車、航空航天和船舶等應(yīng)用中的電力電子設(shè)備的安全評估和狀態(tài)監(jiān)測提供理論和數(shù)據(jù)支撐,同時也為高可靠性功率器件、碳化硅功率模塊和變流器系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)提供新的科學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN322.8

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