功率器件，工業(yè)的CPU，其工業(yè)應用非常廣泛，如電源管理（開關電源、逆變器）、電驅動（變頻器）、醫(yī)療設備（醫(yī)用電源、醫(yī)用動力）、工業(yè)自動化、軌道交通，新能源（光伏、風電、新能源汽車）、電力傳輸等等諸多領域。

整機的質量往往是取決于功率器件的性能和可靠性，在整機開發(fā)過程中，首先會關注功率器件的壽命評估模型。

功率循環(huán)實驗是功率器件加速老化的主要手段，通過功率循環(huán)實驗，可以得到功率器件的壽命曲線，如下圖：

功率循環(huán)壽命曲線

主流廠商器件的技術規(guī)格書里面一般都有壽命曲線，左邊的圖和右邊的有一些不一樣。兩張圖都是等結溫差（ΔTj）的功率循環(huán)壽命曲線，縱坐標是循環(huán)次數，橫坐標是結溫差的大小，左圖是不同Tjmax壽命曲線，分別是100°C，125°C和150°C，舉例說明，如果ΔTj等于80°C，Tjmax是100°C表示芯片的結溫在20°C到100°C之間周期性變化，不同的結溫差只改變Tjmin，以此類推。右圖分別Tjmax為125°C和Tjmin為25°C的壽命曲線，舉例說明，如果ΔTj等于80°C，Tjmax為125即是器件結溫從45到125之間做功率循環(huán)，Tjmin是25表示器件結溫從25到105之間循環(huán)，以此類推。

從圖中不難看出，功率循環(huán)的循環(huán)次數和溫度強相關。所以，實驗過程中結溫的測量精度就是很重要的數據要求。由于加熱電流的電壓無法準確的表示結溫值，結溫的測量通常通過測試電流的外插法去計算，在結溫測量方法上必選滿足JEDEC51-14的標準，即兩個非常重要的技術：A，高速剪差開關，要求大電流切換成小電流的時間盡可能的小（目前行業(yè)最高水平是1us；B，數據采集的同步技術，需要小電流的測試數據有精準（微秒級）的時間坐標。（參考文章：關于JESD 51-14標準的理解和說明）。

功率器件Die部分的時間常數是微秒級，這要求在微秒級階段就需要采集到大量的有效數據，然而，目前市場上存在的很多功率循環(huán)或間歇壽命測試老化設備，因為設備不具備高速剪差開關技術和微秒級同步技術，有效數據往往是1ms以后的（有的顯示有，但實際不是真的）。1ms后，實際結溫已經下降了十多度，采集到的電壓信號表示的溫度和實際溫度相差很多，這樣做出來的功率循環(huán)次數N，也就失去了物理意義。從這層意義去推斷，未來的功率循環(huán)或者間歇壽命測試老化設備，從技術上，首先要滿足這兩個條件。

通過實驗，我們得到了某器件的加速老化數據N，并形成類似上圖的壽命曲線，我們就可以做相應的壽命估算。

壽命估算的大致流程如下：

壽命估算計算流程

根據實時功耗曲線（Mission Profile），估算器件的實時結溫變化曲線，離散后得到溫度幅值分布，再和器件的壽命曲線相比較，計算功率器件的使用壽命（Miner損傷理論）。

實際操作中，功耗到結溫變化曲線，大部分公司用Matlab或者仿真軟件計算，也有手算（誤差可能比較大），然后再用疲勞軟件去計算可靠性，數據要在幾個工具間轉換，比較繁瑣。魯歐智造基于行業(yè)應用流程，開發(fā)了一套壽命估算工具，通過簡單的設置，就能很快的對目標進行有效的壽命評估，歡迎業(yè)界試用和斧正。

工具輸入時域功耗曲線（實際目標和測量值），基于器件的Zth（仿真或者實際測試結果，如果是測試結果，一定要基于JESD 51-14的標準），魯歐開發(fā)了一個基于卷積算法的實時結溫計算工具，再通過雨流計數法去計算可靠性，把計算結果和器件的壽命曲線去比較，結合安全系數，算出CDI（cumulative damage index，累計損傷指數）的值。

魯歐的卷積算法和仿真工具相比，大幅縮短了計算時間，仿真工具可能需要幾小時，而卷積算法的時間是用秒來作為計量單位的。

從上圖可以看出卷積算法相對于仿真結果，誤差可以控制在3%以內，滿足實際的工業(yè)應用。這個工具還可以估算硬件在實際工作載荷下對應的最大結溫，在設計的早期就能判斷設計方案是否可以滿足應用要求，避免不必要的損失。

雨流計數法的結果也和主流的仿真軟件一致。Miner損傷理論認為，材料在各個應力幅下的疲勞損傷是獨立的，總損傷是可以線性疊加的。那么如果實際載荷的累積損傷等于功率循環(huán)的累計損傷，就可以估算出實際的使用壽命。

在CDI的計算值上，魯歐壽命計算工具和其他計算軟件重合度很高，說明魯歐的壽命計算工具，即簡便好用，又能保證精度，為企業(yè)實際的研發(fā)工作帶來了巨大的效益。

審核編輯 黃宇