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導語：在之前的文章里，我們探討驅動系統(tǒng)的電機控制器在熱應力、電應力作用下的耐久，討論了為什么做？怎么做？以及如何從機理角度定制化這一試驗？并簡要概述了IGBT壽命的計算流程。

今天我們站在IGBT可靠性機理的視角，對造成其失效的功率循環(huán)（PC）和熱循環(huán)（TC），從本質和規(guī)格參數(shù)角度說明起源和影響問題，結合一些案例理解這其中的邏輯；最后用通俗易懂的語言對雨流計數(shù)法進行說明，闡述：IGBT是如何利用這一方法，在開發(fā)之初完成壽命的評估的？

目錄電動汽車驅動系統(tǒng)IGBT可靠性指南(上篇)
1. IGBT的功率循環(huán)(PC)與熱循環(huán)(TC)

• 1.1 IGBT的負載條件分析
• 1.2 PC與TC的本質

2. 功率循環(huán)（PC）

• 2.1 功率循環(huán)應力與影響因素
• 2.2 與PC相關的關鍵技術參數(shù)說明
• 2.3 關于PC失效常見的問題(知識星球發(fā)布)
• 2.4 應用實例說明(知識星球發(fā)布)
• 2.4.1 案例1：IGBT連續(xù)工作
• 2.4.2 案例2：IGBT間歇式工作

電動汽車驅動系統(tǒng)IGBT可靠性指南(下篇)

3.熱循環(huán)(TC)(知識星球發(fā)布)

3.1 熱循環(huán)應力產(chǎn)生機理及影響

3.1.1 熱膨脹冷卻系數(shù)帶來的問題

3.1.2 熱膨脹冷卻系數(shù)解決辦法

3.2 案例說明

4. IGBT疲勞壽命數(shù)據(jù)分析方法說明：雨流計數(shù)法(知識星球發(fā)布)

4.1 為什么要用雨流計數(shù)法？

4.2 什么是雨流計數(shù)法？"雨流"怎么流?

4.3 案例說明雨流計數(shù)的方法

4.4 基于雨流法的IGBT壽命估算

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電動汽車驅動系統(tǒng)IGBT可靠性指南(上篇)

01

IGBT的功率循環(huán)(PC)與熱循環(huán)(TC)

1.1 IGBT的負載條件分析

在電動汽車的應用中，逆變器作為核心部件，其內部的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）在電力轉換與分配方面扮演著至關重要的角色，是確保電動汽車動力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和高效能輸出的關鍵環(huán)節(jié)。隨著電動汽車技術的飛速發(fā)展，IGBT等電力電子元件在逆變器中的應用日益廣泛。然而，在電動汽車的實際運行中，逆變器及其內部的IGBT面臨著復雜多變的負載條件和嚴苛的熱環(huán)境，這些因素直接對其性能和壽命產(chǎn)生著重要影響。

圖片來源：SysPro系統(tǒng)工程智庫

為了確保電力半導體器件能夠達到預期的使用壽命，我們需要制定一些規(guī)格或標準。這些Spec.會規(guī)定器件在工作時所能承受的最大負載應力（比如電流、電壓變化引起的熱應力等）。在實際應用中，我們必須確保器件所受到的負載應力不會超過這些規(guī)格所定義的限制，這樣才能保證器件的穩(wěn)定運行和長壽命。

對于功率半導體，主要面臨的兩種不同類型的循環(huán)能力測試：功率循環(huán)(PC)和熱循環(huán)(TC)，它們分別與不同的溫度變化有關。

1.2 功率循環(huán)(PC) 和 溫度循環(huán)(TC) 的本質

那么，究竟什么是PC和TC？下面我逐個解釋下。

->功率循環(huán)（PC）

定義：這種循環(huán)能力測試關注的是元件內部結溫（junction temperature，簡稱?Tvj）的變化。簡單來說，就是當元件在工作時，由于電流和電壓的變化，其內部會產(chǎn)生熱量，導致結溫上升和下降。這種由功率變化引起的溫度循環(huán)，就是功率循環(huán)（PC）。

主要考察：元件在反復功率變化下的耐用性和穩(wěn)定性。

->熱循環(huán)（TC）定義：與功率循環(huán)不同，熱循環(huán)關注的是元件外部焊接點（solder joint）和外殼（case）的溫度變化（簡稱?TC）。這是因為元件在工作時，不僅內部會產(chǎn)生熱量，還會通過外殼和焊接點與外界環(huán)境進行熱交換。當環(huán)境溫度或元件散熱條件發(fā)生變化時，焊接點和外殼的溫度也會隨之變化，形成熱循環(huán)（TC）。主要考察：這種測試主要考察元件在溫度變化環(huán)境下的可靠性和耐久性。

圖7 Cu基板IGBT在TC循環(huán)下的熱界面穩(wěn)定性微觀圖

圖片來源：英飛凌

OK，了解了PC和TC，那么在兩種不同的負載應力下，存在哪些潛在的失效模式呢？其失效機制是什么？我們又要如何預防、驗證和優(yōu)化呢？下面，我們接著聊。

| SysPro注釋：以下解讀針對不同類型的產(chǎn)品拓撲、電流密度、尺寸和芯片，實際應用中，要結合具體產(chǎn)品類型評估。

02

功率循環(huán)（PC）

2.1 功率循環(huán)應力與影響因素通常，在IGBT功率模塊中，會選用引線鍵合工藝(wire-bonding process)來實現(xiàn)電氣間的互聯(lián)。如下圖的功率模塊所示，大約包含了450根線，并且這些線通過900個楔形鍵合點連接在一起。

圖1 IGBT模塊、IPM、分立器件的內部結構示意圖

圖片來源：英飛凌

-> 提升可靠性的常規(guī)技術手段

為了提升功率電子半導體可靠性，我們的研發(fā)人員投入了大量的工作來加速進行電力循環(huán)測試，分析導致故障的原因，并改進連接和芯片附著技術。一般有以下一些技術手段：

線材成分的優(yōu)化：用于連接電子元件的導線的材料得到了優(yōu)化，使其性能更加穩(wěn)定，有助于提升整個系統(tǒng)的可靠性

鍵合工裝的優(yōu)化：鍵合工裝設計得更加合理，提高了連接的準確性和牢固度

鍵合參數(shù)的改進：在鍵合過程中使用的參數(shù)（如溫度、壓力、時間等）得到了精細調整，以確保最佳的連接效果

芯片金屬化技術的提升：芯片表面的金屬化層（用于與導線連接的金屬層）的制作技術得到了改進，使得連接更加可靠，減少了故障發(fā)生的可能性

引入更先進的芯片附著工藝：如擴散焊接和燒結技術，這些新技術使得芯片與基板之間的連接更加牢固，進一步提高了設備的可靠性

可以看出，因為PC的存在，電流和電壓的變化會導致在很短的時間間隔內，內部結溫溫度會反復的升高和降低。在實際測試或使用過程中，主要的應力會集中在Si芯片上的鍵合線以及Si芯片下方的焊接接頭上。

那么，這一應力的大小，主要取決什么呢？有下面5個關鍵指標因素,，具體解釋下（知識星球發(fā)布）：

...

所以，可以看到：功率半導體器件的PC應力受到其工作時結點的絕對溫度、溫度波動的范圍、循環(huán)的周期以及每個循環(huán)中導通時間的影響。這些因素共同決定了器件在PC中的穩(wěn)定性和耐久性。| SysPro注釋：這里要多留意，實際測試時就是通過不斷重復設置這些的電流和溫度上限，來模擬和檢查模塊在這些條件下的工作穩(wěn)定性和性能。

2.2 與PC相關的關鍵技術參數(shù)說明

（知識星球發(fā)布）

站在IGBT規(guī)格書的視角來看，與PC相關的關鍵技術參數(shù)主要有下面7個，我們注意解釋下what和why?

...

...

...

|SysPro注釋：

• 關于更多IGBT特性參數(shù)的說明我們之前已經(jīng)解釋過，感興趣的可以再回顧下這篇文章：電動汽車驅動系統(tǒng)IGBT關鍵參數(shù)指南：開關特性、熱特性、最大電壓、額定電流、脈沖電流、反偏工作區(qū)、輸出特性、Diode參數(shù)說明
• 另外，對于封裝好的IGBT（包含二極管芯片），其IGBT和Diode的Inom是相同的，此時不用考慮Diode的標稱額定電流。
  

2.3 關于PC失效常見的問題

（知識星球中發(fā)布）

下面是IGBT在功率循環(huán)失效中常遇到的幾個典型問題：

1. 既然談PC下的失效，那么失效標準是什么呢？...2. 圖2所示的功率循環(huán)曲線，在什么樣的溫度范圍內是有效的？...3. 失敗率是多少？...4. 在評估功率循環(huán)（PC）時，應該考慮哪些循環(huán)時間作為重要的參考因素？...|SysPro注釋：

很多模塊廠商都會采用相同的PC循環(huán)曲線來表達其產(chǎn)品能力，為了做到apple-to-apple比較，一定要在同一個測試條件下獲取的數(shù)據(jù)。例如，下面這些"手段"均可以改善測試結果：...

2.4 應用實例說明

（知識星球中發(fā)布）

基本理論了解了，那么如何使用功率循環(huán)圖來評估功率模塊在典型應用條件下的承載能力呢？下面我們通過一個案例來直觀的感受下。2.4.1 案例1：IGBT連續(xù)工作->典型用例說明...->現(xiàn)象解釋與壽命計算方法...

2.4.2案例2：IGBT間歇式工作

->典型用例說明...->現(xiàn)象解釋與壽命計算方法...

電動汽車驅動系統(tǒng)IGBT可靠性指南(下篇)03

熱循環(huán)（TC）

3.1 熱循環(huán)應力產(chǎn)生機理及影響

（知識星球中發(fā)布）

在文章開頭提到過：熱循環(huán)(TC)與功率循環(huán)(PC)不同，熱循環(huán)關注的是元件外部焊接點（solder joint）和外殼（case）的溫度變化（簡稱?TC）。這是因為元件在工作時，不僅內部會產(chǎn)生熱量，還會通過外殼和焊接點與外界環(huán)境進行熱交換。當環(huán)境溫度或元件散熱條件發(fā)生變化時，焊接點和外殼的溫度也會隨之變化，形成熱循環(huán)。所以，對于IGBT，我們要從基板切入，了解TC的機理。

->熱膨脹冷卻系數(shù)帶來的問題...->熱膨脹冷卻系數(shù)解決辦法...

3.2 案例說明

（知識星球中發(fā)布）

為了復現(xiàn)真實環(huán)境中溫度變化帶來的熱應力的影響，我們需要進行溫度循環(huán)耐久測試，以模擬了其工作情況。特別是關注焊接接頭的耐用性，看它們是否能經(jīng)受住溫度的反復變化而不出現(xiàn)問題。

->典型用例說明...

->現(xiàn)象解釋與壽命計算方法...

04

IGBT疲勞壽命數(shù)據(jù)分析方法說明：雨流計數(shù)法

4.1 為什么要用雨流計數(shù)法？

（知識星球中發(fā)布）

為了估算IGBT的預期壽命，我們需要統(tǒng)計在特定條件下，TA經(jīng)歷的溫度循環(huán)次數(shù)。這些溫度循環(huán)可以是基于結溫Tvj(t)來評估功率循環(huán)的影響，或者是基于外殼溫度Tc(t)來評估熱循環(huán)的影響。那么，采用什么樣的方法來統(tǒng)計呢？

我們在驅動系統(tǒng)機械耐久的三部曲中提到過，在處理具有復雜且不斷變化負載循環(huán)時，我們會用到一種叫做"雨流計數(shù)法（Rainflow Algorithm）"的算法來分析疲勞數(shù)據(jù)。這個方法對于溫度模式的負載循環(huán)同樣適用。下面具體來講一下。

4.2 什么是雨流計數(shù)法？"雨流"怎么流?

（知識星球中發(fā)布）

這個算法的作用是把那些復雜多變的應力變化簡化為一系列簡單的循環(huán)次數(shù)。即，把復雜的溫度變化過程"翻譯"成更容易理解和計算的幾個簡單循環(huán)，從而幫助我們更好地評估設備的疲勞壽命。其工作方式是這樣的...

雨流計數(shù)法方法示意圖

圖片來源：英飛凌

4.3 案例說明（雨流計數(shù)的方法）

（知識星球中發(fā)布）

以下圖為例,我們使用雨流計數(shù)法來分析這個循環(huán)。解釋下上圖的含義...

然后，統(tǒng)計那些幅值相同但方向相反的半周期，將其數(shù)量加在一起，以此來計算完整循環(huán)的數(shù)量。結果如下圖所示：...

4.4 IGBT壽命估算方法

（知識星球中發(fā)布）

從上面的案例可以看出：雨滴計數(shù)法總是把幅度相同但方向相反的溫度變化算作一對完整的溫度循環(huán)。因此，這種方法更適合于分析和理解那些溫度波動較大的情況。此外，通過Miner疲勞累積損傷理論，我們可以預測材料在受到不同應力水平下的IGBT的疲勞壽命。具體計算方法如下：...
感謝你的閱讀，希望有所幫助！