結合整車路譜的絕緣柵雙極型晶體管模塊壽命預測方法研究

潘彥全 劉志強 李敏 劉佳男

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

1 前言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是新能源電動汽車的重要部件，隨著IGBT模塊市場規(guī)模的逐步擴大，其可靠性和在惡劣環(huán)境下的工作壽命成為熱點研究問題，而IGBT模塊的壽命預測成為各模塊制造商和整車制造商關注的焦點。

在電驅系統(tǒng)的設計之初對IGBT 模塊的壽命進行預測可有效降低產品的故障率，并有助于相應的系統(tǒng)和結構設計及改進。實時監(jiān)測IGBT 模塊關鍵參數以獲得模塊的剩余壽命成為電驅系統(tǒng)健康管理技術的重要研究內容。

本文以常見的IGBT模塊為例，結合整車提供的路譜，提出一種評估IGBT 壽命消耗的方法。首先，根據整車路譜提供的電驅扭矩、轉速等信息進行仿真得到相電壓、相電流及功率因數，查表獲得電機不同轉速下逆變器的開關頻率。然后，根據得到的數據計算IGBT的損耗，并結合熱網絡模型計算IGBT的結溫，得到對應整車路譜的IGBT 溫度變化曲線。最后，利用雨流計數法提取特征參數，結合IGBT 的壽命模型評估相應路譜的IGBT 損傷率，從而評價IGBT的壽命是否滿足設計要求。

2 IGBT損耗計算

在電動汽車電驅動系統(tǒng)逆變器中，功率模塊的損耗占比超過整個逆變器損耗的90%。IGBT 模塊的損耗主要由4 個部分組成，即IGBT 導通損耗、IGBT開關損耗、二極管導通損耗和二極管反向恢復損耗。IGBT 模塊內部損耗主要由IGBT 芯片和二極管芯片產生，損耗的大小受負載電流、直流電壓、芯片結溫、門極驅動電阻和門極驅動電壓影響。負載電流、直流電壓和芯片結溫與具體設計有關，損耗計算必須考慮這4個因素的影響[1]。

在正弦輸出電流條件下，計算IGBT平均損耗的準確方法是將整個周期內的每個開關脈沖電流所產生的開通能量Eon、關斷能量Eoff和導通能量Econd求和。

2.1 IGBT的導通損耗

在逆變器中，IGBT 被用作開關器件，理想情況下，IGBT 導通時，可以視為一根導線，但實際應用中，IGBT 存在導通壓降Vcesat，其導通后，在電流與電壓共同作用下產生的發(fā)熱損耗形成了IGBT的導通損耗。二極管的導通損耗原理與此基本相同。在一個輸出周期T0內，IGBT 平均導通損耗Pcond(IGBT)為：

式中，VCE(t)=VCET+RTi(t)為導通電壓，可根據IGBT 數據手冊上的輸出特性曲線（集電極電流IC-VCE曲線，如圖1 所示）和相應的計算公式獲取；f(t)=0.5×(1+M(sin(ωt+φ)))為 基 于 空 間 矢 量 脈 寬 調 制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）技術計算得到的占空比函數；i(t)為電流；VCET為門限電壓；RT為門限電阻；M為輸出峰值電壓VOP與直流電壓VDC的比值；ω為角頻率；t為時間；φ為相位。

圖1 某IGBT模塊IC-VCE曲線

根據M的取值可設計不同的工作模式：M<1 時為線性調制模式；1≤M<4/π 時為過調制模式；M=4/π時為方波調制方式。在M>1 的調制過程中，參考波形等效為一個非正弦調制信號。

根據上面的條件可以推導出IGBT 的平均導通損耗Pcond(IGBT)：

式中，IP為峰值電流。

2.2 IGBT的開關損耗

IGBT 開關損耗來源于開關暫態(tài)過程，電壓與電流存在交疊部分產生損耗發(fā)熱。開關損耗的準確計算方法是對每個開關時刻的開通能量和關斷能量的積分求平均值。通常，在給定負荷電流的條件下，IGBT開關損耗Psw(IGBT)接近線性[2]：

式中，fsw為開關頻率；Inom為標稱電流；Vnom為標稱電壓。

IGBT 的總損耗即為導通損耗和開關損耗之和，利用數據手冊上的信息即可對IGBT 的損耗進行理論計算。

2.3 二極管的反向恢復損耗

二極管正向導通時，即IGBT 關斷、二極管續(xù)流時，設二極管兩端電壓為VF、二極管的電流為IF，如圖2所示，其中V0為母線電壓。當IGBT導通時，二極管兩端電壓如圖3所示，由正電壓變?yōu)樨撾妷海ㄆ渲蠽RF為反向恢復電壓），理想情況下，二極管應立即截止，即流過二極管的電流迅速變?yōu)?，但實際上二極管并不會立即截止，而是產生較大的反向電流IRec，并在一定時間內逐漸接近0，此時二極管截止。二極管的反向恢復過程如圖4所示。

圖2 二極管正向導通示意

圖3 IGBT導通時二極管兩端電壓變化情況

圖4 IGBT導通時二極管電流變化情況

在二極管反向恢復過程中，反向恢復電流與施加在二極管兩端的電壓交疊產生損耗，即為二極管的反向恢復損耗Prec(Diode)：

式中，Erec為二極管反向恢復能量。

3 IGBT結溫計算

IGBT 工作過程中，其開關損耗和導通損耗會造成模塊的溫度變化并以熱量的形式向外散發(fā)。熱量的傳遞方式主要有熱傳導、熱輻射和熱對流，在IGBT模塊中，芯片產生的熱量主要以熱傳導的方式向外散發(fā)，因此影響IGBT模塊工作溫度的主要因素為模塊的損耗和傳熱路徑的熱阻、熱容。熱阻是指當有熱量在物體上傳輸時，物體兩端溫度差與熱源的功率間的比值；熱容是指向系統(tǒng)施加的微小熱量與由此形成的溫升的比值。功率器件的瞬態(tài)熱阻抗通常使用阻容（RC）網絡熱模型模擬。典型的阻容網絡模型有共地模型（Cauer 網絡模型）和非共地模型（Foster網絡模型）如圖5所示[3]，其中，Zth為瞬態(tài)熱阻抗，Rthn、Cthn為第n階熱阻、第n階熱容，P(t)為隨時間變化的瞬時功率，T為相對參考點的溫度。

圖5 2種典型阻容網絡模型

Cauer 網絡模型在一定程度上反映了器件內部傳熱的物理本質，熱阻和熱容與器件各層物理結構存在對應關系，目前常用的Cauer 網絡參數獲取方法是利用Foster 網絡進行等效變換和根據各層材料的屬性進行數值計算，在實際應用中較為繁瑣。而Foster 網絡模型的RC 節(jié)點不再與物理結構相對應，在參數獲取上也更加容易，通常可在制造商提供的數據手冊中獲得，如圖6 所示，也可通過Saber 等軟件仿真得到，如圖7所示。

圖6 某IGBT模塊熱阻曲線

圖7 Saber仿真結果

根據得到的熱網絡參數，結合IGBT的開關損耗Psw、導通損耗Pcond和冷卻液溫度TF，即可得到IGBT模塊工作時的穩(wěn)態(tài)結溫Tj：

由初始溫度開始進行計算并迭代，結果如圖8所示。

圖8 IGBT穩(wěn)態(tài)結溫計算結果

將整車路譜代入，得到對應的結溫變化曲線，如圖9 所示。循環(huán)時間為600 h，單次循環(huán)時間為360 s，循環(huán)約6 000次。

圖9 IGBT結溫變化曲線

4 IGBT功率循環(huán)測試

IGBT 模塊的功率循環(huán)測試需使用功率循環(huán)測試臺，如圖10 所示，測試標準參照AQG324 標準執(zhí)行。AQG324 是歐洲電力電子中心針對汽車用功率模塊提出的測試標準，該標準對環(huán)境測試項目提出了要求，對部分測試項目測試條件和評價標準給出了建議。

圖10 功率循環(huán)測試臺

將某IGBT 模塊在結溫波動ΔTj分別為60 ℃、0 ℃、100 ℃條件下各按照秒級循環(huán)進行一組測試，得到該模塊對應溫升下的功率循環(huán)次數，如表1所示。

表1 功率循環(huán)測試結果

根據功率循環(huán)測試得到的結果，結合解析壽命模型即可得到IGBT 的壽命曲線。本文采用Coffin-Manson 模型進行解析。Coffin-Manson 模型考慮了結溫波動ΔTj對壽命的影響，壽命預測模型數學表達式為：

式中，Nf為失效循環(huán)次數；m、n為常數，由材料屬性決定，分別反映了材料應變能力和器件周期性的疲勞程度，可通過數值仿真或循環(huán)試驗進行數據擬合獲得[4]。

如圖11所示，該模塊的壽命曲線表達式為：

圖11 某IGBT模塊壽命曲線擬合結果

5 載荷歷程簡化

本文采用雨流計數法將實測載荷歷程簡化為若干個載荷循環(huán)，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗載荷譜使用。雨流計數法以雙參數法為基礎，考慮了動強度（幅值）和靜強度（均值），符合疲勞載荷本身固有的特性，其計數規(guī)則如下：

a. 雨流依次從載荷時間歷程峰值的內側沿斜坡流下；

b.雨流從某個峰值點開始流動，當遇到比其起始峰值大的峰值時停止流動；

c.雨流遇到上方流下的雨流時停止流動；

d.取出所有的全循環(huán)，記錄每個循環(huán)的幅度；

e.將第1 階段計數后剩下的發(fā)散收斂載荷時間歷程等效為1 個收斂發(fā)散型的載荷時間歷程，進行第2 階段的雨流計數。計數循環(huán)的總數等于2 個計數階段的計數循環(huán)之和。

結合此前得到的結溫變化曲線，利用MATLAB軟件實現雨流計數，結果如圖12所示。

圖12 雨流計數法結果示意

6 IGBT模塊損傷率計算

基于Miner 定律對IGBT 模塊的損傷率進行計算，Miner 疲勞損傷累積假說認為：根據δ-N曲線的定義，在恒定應力幅值δ作用下，零件運轉循環(huán)次數為N時，將產生完全損傷，則零件在應力δ的作用下運轉應力循環(huán)次數n（n

基于Miner 定律，結合雨流計數法得到的結果如表2所示。

表2 雨流計數法輸出結果

經計算，IGBT 模塊的損傷率α=1.387 592。損傷率α>1 意味著在對應整車工況下，該模塊可能出現失效，應重新評估模塊選型結果或試驗工況是否過于激烈。

7 結束語

本文介紹了一種結合整車路譜的IGBT 模塊壽命預測方法，IGBT模塊結構復雜、應用工況多樣，很難完全通過計算、仿真手段獲取與實際工況完全一致的數據。為進一步提升預測結果的準確性，未來還可從以下幾個角度進行改進：

a.提升IGBT 損耗計算的準確性及熱網絡模型參數的準確性，或增加精度足夠且能夠直接檢測IGBT芯片結溫的溫度傳感器。

b. 解析模型和物理壽命模型均未綜合考慮應力環(huán)境，無法融入濕度、磁場、振動等復雜應力條件對IGBT模塊壽命的影響。因此，為進一步提升預測精度，可以考慮構建多種環(huán)境因素的預測模型。

c.隨著云計算、人工智能算法及大數據理論的發(fā)展，可以在云端對行車數據進行記錄，得到基于實際使用工況的IGBT模塊使用壽命，從而提出基于實際數據的IGBT模塊壽命模型。