電梯變頻器IGBT模塊壽命估算方法

鐘海峰

摘?要：電梯變頻器是電梯驅動系統的主要部件，其運行可靠性是系統設計重點關注的問題[1]。IGBT模塊作為變頻器的關鍵器件，其結溫將隨著運行負載變化而波動，并產生電熱應力沖擊，將對模塊造成累計損傷，最終使得模塊失效[2]。由于實時檢測IGBT的結溫十分困難，本文討論了一種根據實測IGBT銅基板溫度，結合仿真軟件計算得到的結殼溫升，推算電梯實際工況下IGBT的結溫波動，從而評估IGBT模塊的壽命的方法，對電梯系統可靠性設計有一定的借鑒意義。

關鍵詞：IGBT模塊;結溫波動;壽命預測;電梯

1 引言

變頻器作為電梯驅動系統的核心部件，其成本、熱性能、可靠性等都是系統設計時需要考慮的問題。其中IGBT模塊作為變頻器的關鍵器件，其壽命問題直接影響電梯的安全可靠運行。由于IGBT模塊各層材料的熱膨脹系數不同，溫度波動使其各層材料受到不同程度的拉伸和壓縮應力，如此反復，最終導致IGBT模塊焊接層、綁定線等斷裂失效[3]。因此IGBT模塊的壽命預測對提高電梯運行可靠性具有重要意義。

結溫是影響IGBT模塊壽命的關鍵因素，是IGBT模塊壽命預測的基礎。但實際產品開發過程中IGBT的結溫難以實時測量到。本文討論了一種通過仿真和實測模塊基板溫度得到模塊的結溫波動，再結合電梯運行實際工況對IGBT模塊壽命進行預測的方法。

2 IGBT模塊的失效模式

2.1 IGBT模塊的典型失效模式

導致IGBT模塊失效的模式，通常有以下幾種：

a熱疲勞損壞。包括IGBT/FWD芯片-絕緣基板-銅基板之間的熱膨脹差異導致焊接層裂紋，以及IGBT/FWD芯片-綁定線的熱膨脹差異導致的連接界面的剝離。

b機械特性的劣化。指機械的應力導致的綁定線連接端子的破裂。

c腐蝕的影響。包括濕度及腐蝕性氣體（H2S、Sox、NOx、CI2、HCI）引起的電氣遷移，從而導致IGBT/FWD芯片耐壓劣化的發生，以及絕緣基板上銅箔之間短路的發生。

2.2 IGBT模塊熱疲勞失效模式

在系統應用中，IGBT模塊機械特性的劣化以及環境因素導致失效的情況，不同場合的應用差異可能非常大，具有不確定性。本文主要關注IGBT模塊在運行過程中自身溫度變化產生的熱疲勞對模塊壽命的影響。

（1）熱疲勞產生的原因

IGBT內部不同材料之間存在熱應力，進而導致熱疲勞。由于IGBT模塊是由多種材料組成，這些材料具有不同的CTE（熱膨脹系數）。IGBT運行產生的溫度波動會在相鄰層產生熱機械應力，這種熱機械應力是IGBT模塊中材料疲勞老化，進而失效的根本原因。

（2）熱疲勞失效模式分析

在材料科學中，疲勞是在循環應力下呈現局部化和漸進化的破壞。IGBT模塊熱疲勞典型的失效點包括：綁定線根部，芯片金屬化層，以及DCB與芯片或銅基板之間的焊接層。通過溫度循環（TC）和功率循環（PC）測試，可以觀察到IGBT模塊熱疲勞失效點的顯著變化。

IGBT模塊TC測試的焦點是芯片和DCB之間的連接（芯片焊接層），以及DCB和底板的連接（系統焊接層）。連接的兩種材料的熱膨脹系數相差越大，連接點在受熱或冷卻過程中所受的壓力就越大。TC測試后，模塊焊層從DCB的角落開始分離并蔓延出去。焊層分離區域中的熱阻會增加，如果一個功率半導體芯片處在該區域中，增加的熱阻會導致結溫Tj增加。

IGBT模塊PC測試的焦點是連接芯片和DCB的綁定線。在工作過程中的加熱和冷卻會引起綁定線重復性的微運動，長此以往，會導致綁定線出現疲勞和裂紋，最終會造成綁定線斷裂。同時，由于芯片表面不斷地被加熱和冷卻，芯片金屬覆層的結構會不斷發生變化。最終，表面結構的變化越來越大以至于和芯片接觸面的連接松動，導致綁定線與芯片表面分離[4]。

通常廠商會對IGBT模塊進行大量的溫度循環（TC）和功率循環（PC）測試，從而確定結溫波動對于IGBT模塊壽命的影響[5]。圖2所示為IGBT模塊功率循環曲線。功率循環測試可以加速模擬IGBT模塊在實際工作中可能承受的熱機械應力。故該曲線實際上描述了不同結溫波動條件下模塊失效前所能完成的功率循環次數，不同的平均結溫對應不同的曲線。

3 電梯負載特性

對于大多數常規工業應用，使用熱仿真軟件，并結合相應的功率循環曲線，就可以進行簡單的壽命計算。這種計算只考慮每個負載周期中最大的溫度波動，忽略較小的溫度波動。

在電梯應用中，負載條件更復雜，由模塊輸出電流波形分析，如圖3所示。電梯上行、下行完成一個大的負載周期，IGBT模塊會產生兩次大的結溫波動;同時，運行過程中加速、勻速和減速的負載電流大小和頻率不一樣，將導致模塊結溫有小幅的波動。

對于這種大小波動重疊在一起的溫度曲線，目前比較通用的方法是采用雨流算法（Rain Flow）將其分解簡化為若干個具有不同波動幅度的負載循環。將雨流算法簡化后的不同溫度波動通過對應模塊的壽命曲線進行計算，可以得到指定任務周期的循環次數[3]。

4 IGBT模塊壽命估算

在實際變頻器產品開發過程中，IGBT模塊的結溫通常難以直接測量，一般只測量模塊銅基板的溫度。可通過IGBT廠家提供的仿真軟件，計算出在特定負載工況下的結殼溫升，結合實際測得的模塊銅基板溫度，推算出實際的模塊結溫。

4.1 IGBT結溫波動值計算

（1）結殼溫升仿真計算

以富士IGBT模塊為例，使用IGBTSim仿真軟件，選擇循環模式。輸入一個周期時間內，各個時間段實際測得的模塊輸出電流大小、頻率，以及直流母線電壓、功率因數、調制指數、調制模式和模塊驅動參數。仿真計算結果如圖4所示。