电动汽车驱动系统IGBT可靠性与寿命估算指南

以下内容发表在「SysPro系统工程智库」知识星球

- 关于IGBT可靠性的学习总结节选，全文11000字

- SysPro系统工程智库内部学习用，非授权不得转载

- 本篇为节选，完整内容会在知识星球发布，欢迎学习、交流

导语：在之前的文章里，我们探讨驱动系统的电机控制器在热应力、电应力作用下的耐久，讨论了为什么做？怎么做？以及如何从机理角度定制化这一试验？并简要概述了IGBT寿命的计算流程。

今天我们站在IGBT可靠性机理的视角，对造成其失效的功率循环（PC）和热循环（TC），从本质和规格参数角度说明起源和影响问题，结合一些案例理解这其中的逻辑；最后用通俗易懂的语言对雨流计数法进行说明，阐述：IGBT是如何利用这一方法，在开发之初完成寿命的评估的？

目录电动汽车驱动系统IGBT可靠性指南(上篇)
1. IGBT的功率循环(PC)与热循环(TC)

• 1.1 IGBT的负载条件分析
• 1.2 PC与TC的本质

2. 功率循环（PC）

• 2.1 功率循环应力与影响因素
• 2.2 与PC相关的关键技术参数说明
• 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(知识星球发布)
• 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(下篇)

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

3.1.1 热膨胀冷却系数带来的问题

3.1.2 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(上篇)

01

IGBT的功率循环(PC)与热循环(TC)

1.1 IGBT的负载条件分析

在电动汽车的应用中，逆变器作为核心部件，其内部的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）在电力转换与分配方面扮演着至关重要的角色，是确保电动汽车动力系统稳定运行和高效能输出的关键环节。随着电动汽车技术的飞速发展，IGBT等电力电子元件在逆变器中的应用日益广泛。然而，在电动汽车的实际运行中，逆变器及其内部的IGBT面临着复杂多变的负载条件和严苛的热环境，这些因素直接对其性能和寿命产生着重要影响。

图片来源：SysPro系统工程智库

为了确保电力半导体器件能够达到预期的使用寿命，我们需要制定一些规格或标准。这些Spec.会规定器件在工作时所能承受的最大负载应力（比如电流、电压变化引起的热应力等）。在实际应用中，我们必须确保器件所受到的负载应力不会超过这些规格所定义的限制，这样才能保证器件的稳定运行和长寿命。

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。

1.2 功率循环(PC) 和 温度循环(TC) 的本质

那么，究竟什么是PC和TC？下面我逐个解释下。

->功率循环（PC）

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。

->热循环（TC）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（TC）。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。

图7 Cu基板IGBT在TC循环下的热界面稳定性微观图

图片来源：英飞凌

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。

| SysPro注释：以下解读针对不同类型的产品拓扑、电流密度、尺寸和芯片，实际应用中，要结合具体产品类型评估。

02

功率循环（PC）

2.1 功率循环应力与影响因素通常，在IGBT功率模块中，会选用引线键合工艺(wire-bonding process)来实现电气间的互联。如下图的功率模块所示，大约包含了450根线，并且这些线通过900个楔形键合点连接在一起。

图1 IGBT模块、IPM、分立器件的内部结构示意图

图片来源：英飞凌

-> 提升可靠性的常规技术手段

为了提升功率电子半导体可靠性，我们的研发人员投入了大量的工作来加速进行电力循环测试，分析导致故障的原因，并改进连接和芯片附着技术。一般有以下一些技术手段：

线材成分的优化：用于连接电子元件的导线的材料得到了优化，使其性能更加稳定，有助于提升整个系统的可靠性

键合工装的优化：键合工装设计得更加合理，提高了连接的准确性和牢固度

键合参数的改进：在键合过程中使用的参数（如温度、压力、时间等）得到了精细调整，以确保最佳的连接效果

芯片金属化技术的提升：芯片表面的金属化层（用于与导线连接的金属层）的制作技术得到了改进，使得连接更加可靠，减少了故障发生的可能性

引入更先进的芯片附着工艺：如扩散焊接和烧结技术，这些新技术使得芯片与基板之间的连接更加牢固，进一步提高了设备的可靠性

可以看出，因为PC的存在，电流和电压的变化会导致在很短的时间间隔内，内部结温温度会反复的升高和降低。在实际测试或使用过程中，主要的应力会集中在Si芯片上的键合线以及Si芯片下方的焊接接头上。

那么，这一应力的大小，主要取决什么呢？有下面5个关键指标因素,，具体解释下（知识星球发布）：

...

所以，可以看到：功率半导体器件的PC应力受到其工作时结点的绝对温度、温度波动的范围、循环的周期以及每个循环中导通时间的影响。这些因素共同决定了器件在PC中的稳定性和耐久性。| SysPro注释：这里要多留意，实际测试时就是通过不断重复设置这些的电流和温度上限，来模拟和检查模块在这些条件下的工作稳定性和性能。

2.2 与PC相关的关键技术参数说明

（知识星球发布）

站在IGBT规格书的视角来看，与PC相关的关键技术参数主要有下面7个，我们注意解释下what和why?

...

...

...

|SysPro注释：

• 关于更多IGBT特性参数的说明我们之前已经解释过，感兴趣的可以再回顾下这篇文章：电动汽车驱动系统IGBT关键参数指南：开关特性、热特性、最大电压、额定电流、脉冲电流、反偏工作区、输出特性、Diode参数说明
• 另外，对于封装好的IGBT（包含二极管芯片），其IGBT和Diode的Inom是相同的，此时不用考虑Diode的标称额定电流。
  

2.3 关于PC失效常见的问题

（知识星球中发布）

下面是IGBT在功率循环失效中常遇到的几个典型问题：

1. 既然谈PC下的失效，那么失效标准是什么呢？...2. 图2所示的功率循环曲线，在什么样的温度范围内是有效的？...3. 失败率是多少？...4. 在评估功率循环（PC）时，应该考虑哪些循环时间作为重要的参考因素？...|SysPro注释：

很多模块厂商都会采用相同的PC循环曲线来表达其产品能力，为了做到apple-to-apple比较，一定要在同一个测试条件下获取的数据。例如，下面这些"手段"均可以改善测试结果：...

2.4 应用实例说明

（知识星球中发布）

基本理论了解了，那么如何使用功率循环图来评估功率模块在典型应用条件下的承载能力呢？下面我们通过一个案例来直观的感受下。2.4.1 案例1：IGBT连续工作->典型用例说明...->现象解释与寿命计算方法...

2.4.2案例2：IGBT间歇式工作

->典型用例说明...->现象解释与寿命计算方法...

电动汽车驱动系统IGBT可靠性指南(下篇)03

热循环（TC）

3.1 热循环应力产生机理及影响

（知识星球中发布）

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?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。所以，对于IGBT，我们要从基板切入，了解TC的机理。

->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

（知识星球中发布）

为了复现真实环境中温度变化带来的热应力的影响，我们需要进行温度循环耐久测试，以模拟了其工作情况。特别是关注焊接接头的耐用性，看它们是否能经受住温度的反复变化而不出现问题。

->典型用例说明...

->现象解释与寿命计算方法...

04

IGBT疲劳寿命数据分析方法说明：雨流计数法

4.1 为什么要用雨流计数法？

（知识星球中发布）

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Tvj(t)来评估功率循环的影响，或者是基于外壳温度Tc(t)来评估热循环的影响。那么，采用什么样的方法来统计呢？

我们在驱动系统机械耐久的三部曲中提到过，在处理具有复杂且不断变化负载循环时，我们会用到一种叫做"雨流计数法（Rainflow Algorithm）"的算法来分析疲劳数据。这个方法对于温度模式的负载循环同样适用。下面具体来讲一下。

4.2 什么是雨流计数法？"雨流"怎么流?

（知识星球中发布）

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...

雨流计数法方法示意图

图片来源：英飞凌

4.3 案例说明（雨流计数的方法）

（知识星球中发布）

以下图为例,我们使用雨流计数法来分析这个循环。解释下上图的含义...

然后，统计那些幅值相同但方向相反的半周期，将其数量加在一起，以此来计算完整循环的数量。结果如下图所示：...

4.4 IGBT寿命估算方法

（知识星球中发布）

从上面的案例可以看出：雨滴计数法总是把幅度相同但方向相反的温度变化算作一对完整的温度循环。因此，这种方法更适合于分析和理解那些温度波动较大的情况。此外，通过Miner疲劳累积损伤理论，我们可以预测材料在受到不同应力水平下的IGBT的疲劳寿命。具体计算方法如下：...
感谢你的阅读，希望有所帮助！