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為促進我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，實現(xiàn)“中國制造”向“中國智造”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，一大批新技術(shù)走在了世界的前沿，如高速動車組列車、電動汽車及其充電樁、5G通信設(shè)備、交直流混合配電網(wǎng)、柔性直流輸電、新能源發(fā)電裝置等。這些新興科技的迅猛發(fā)展均離不開電力電子技術(shù)的使用，而作為電能變換與控制核心組件之一的IGBT模塊則成為傳統(tǒng)工業(yè)升級改造的關(guān)鍵。

與此同時，電力供電的持續(xù)穩(wěn)定、交通運輸?shù)陌踩珪惩ā⑼ㄐ艂鬟f的及時準確等各行業(yè)基本需求對IGBT模塊的可靠性也提出了越來越高的要求。然而工業(yè)界反饋的數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用于這些高可靠性大功率場合的IGBT模塊可靠性并不高，其失效將會迅速導(dǎo)致電力電子裝置，甚至整個系統(tǒng)的非計劃停機事件，進而造成重大的經(jīng)濟損失，并危及國民經(jīng)濟的正常發(fā)展。

以風(fēng)力發(fā)電為例，2003～2017年涉及23個國家的風(fēng)機故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，IGBT模塊失效導(dǎo)致了22%的變流器非計劃停機事件，是風(fēng)電系統(tǒng)中最易出現(xiàn)故障的組件之一。此外，英國華威大學(xué)開展的一項涵蓋多個行業(yè)的工業(yè)調(diào)查結(jié)果表明，IGBT模塊是電力電子系統(tǒng)中是最容易發(fā)生失效的器件之一。因此，IGBT模塊的可靠性問題已經(jīng)成為制約電力電子系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵性問題之一。

應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的IGBT模塊，由于自身的開通關(guān)斷、處理功率的波動性以及外部運行環(huán)境的變化，長期承受不均衡的電熱應(yīng)力，在運行過程中易產(chǎn)生熱疲勞，降低其可靠性。與常規(guī)的過電熱應(yīng)力導(dǎo)致的IGBT模塊瞬間失效不同，熱疲勞失效是一個漸變的過程。可以通過增加保護 電路、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計來避免瞬間失效，而熱疲勞失效則是IGBT模塊在其正常壽命歷程中始終伴隨的必然失效。因此，如何提高IGBT模塊的可靠性是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一直在進行研究的熱點問題。

已有的研究表明，壽命評估是提高IGBT模塊可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。以IGBT模塊為代表的電力電子器件壽命評估與以往的電力系統(tǒng)可靠性評估具有明顯的區(qū)別，后者針對電力電子器件失效通常采用泊松分布來進行描述。然而由于電力電子裝置處理工況的波動性，IGBT模塊的可靠性會因為任務(wù)剖面的不同而產(chǎn)生差異。

與此同時，不同應(yīng)用場合下IGBT模塊的典型壽命設(shè)計目標(biāo)是不一樣的。比如，風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)中電力電子裝置預(yù)期使用壽命分別為20年和5～30年。因此，評估出IGBT模塊在一定工況下的預(yù)期使用壽命對于電力電子系統(tǒng)的定期計劃維修更加具有指導(dǎo)意義。

河海大學(xué)的研究人員圍繞IGBT模塊壽命評估的相關(guān)研究進行了歸納和總結(jié)，并對IGBT模塊壽命評估的未來發(fā)展方向進行了展望。

他們首先介紹IGBT模塊壽命評估的流程，然后梳理涉及壽命評估研究五個方面之間的邏輯聯(lián)系，其中失效機理是壽命評估的研究基礎(chǔ)，不同失效模式所采用的壽命模型并不一致。由于壽命評估是以結(jié)溫信息為主要因變量，又考慮長時間任務(wù)工況帶來的龐大計算量，結(jié)溫提取成為壽命評估的關(guān)鍵。此外，用于壽命評估的結(jié)溫計算通常是基于熱網(wǎng)絡(luò)模型和熱參數(shù)展開，因此科研人員對這兩方面的研究進展進行了總結(jié)。

基于上述研究現(xiàn)狀，研究人員認為IGBT模塊壽命評估主要存在兩個研究難點：一是大功率應(yīng)用背景下IGBT模塊的多維熱網(wǎng)絡(luò)模型；二是壽命預(yù)測模型的離線測試與在線運行之間的等價性，特別是IGBT模塊壽命的在線預(yù)測。

圖1 IGBT模塊壽命評估流程

針對第一個難點可以借鑒一維熱網(wǎng)絡(luò)的建模過程：首先，基于熱傳導(dǎo)理論，建立多芯片工作下IGBT模塊內(nèi)部傳熱行為的數(shù)學(xué)表征。然后，將傳熱行為數(shù)學(xué)表征按照熱流路徑方向進行分解并簡化為指數(shù)疊加的形式。最后，類比RC電路的端口響應(yīng)，將傳熱行為數(shù)學(xué)表征用考爾型網(wǎng)絡(luò)進行等效，繼而建立起多維熱網(wǎng)絡(luò)模型。

針對第二個難點可以從以下方面入手：首先，開展多組不同工況的加速壽命試驗，分析得到每個工況下的壽命模型。然后，將多組工況組合成隨機工況再次進行加速壽命試驗，并得到IGBT模塊失效前熱循環(huán)次數(shù)。最后，對比壽命模型評估出的預(yù)期使用次數(shù)，分析二者之間的誤差，添加修正系數(shù)對原有的模型進行改進。

表1 壽命預(yù)測模型的對比

研究人員指出，雖然驗證壽命評估結(jié)果的準確性存在極大的挑戰(zhàn)，但是電力電子系統(tǒng)在一些關(guān)鍵場合的應(yīng)用使得IGBT模塊可靠性評估迫在眉睫，如高速動車組的牽引變流器、直流輸配電系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)通常采用了大量的IGBT模塊，隨著使用年限的逼近，正面臨著IGBT模塊的更新替換。如果在可靠性允許的范圍內(nèi)，延期更換其零部件將會大幅度降低運維成本。

他們表示，預(yù)測器件壽命是一個理論和試驗相結(jié)合的復(fù)雜問題，而從目前一些其他大功率半導(dǎo)體器件（如IGCT）的研究成果來看，通過分析現(xiàn)場失效統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合失效率◆ （單位時間內(nèi)的失效數(shù)量）或MTBF（平均無故障工作時間）等可靠性指標(biāo)，也可以對IGBT模塊的可靠性進行評估，而這會成為IGBT模塊壽命預(yù)測未來發(fā)展的重要方向之一。

以上研究成果發(fā)表在2021年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“IGBT模塊壽命評估研究綜述”，作者為張軍、張犁、成瑜。