[发明专利]功率MOSFET健康状态评估与剩余寿命预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率MOSFET健康状态评估与剩余寿命预测方法，属于可靠性评估和电子故障预测与健康管理领域。

背景技术

随着半导体技术的不断进步与发展，功率MOSFET作为DC-DC电源模块、光伏逆变器等电力电子电路中开关功率器件的主要选择，是电子和电气机载自治功能子系统中不可缺少的器件，广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源发电、导航和雷达系统等领域。通常，电路的退化或者失效往往是由某个或者某些关键器件导致的，有研究统计表明，功率MOSFET在电力电子电路中引起的故障率高达31％。对于关键任务系统而言，其性能退化及失效将极大地影响系统的正常安全运行，因此为避免这样的失效而引起的重大损失具有十分重要意义，从而需要健康状态评估与剩余寿命预测方法，为维修、更换和备件策略制定的重要依据。

目前，国内外对功率MOSFET的失效机理、失效模式的分析研究较多，而对其进行健康状态评估与剩余寿命预测的研究较少，采用的方法为选取单一的导通电阻或者阈值电压作为失效特征参数进行健康评估或故障预测，即仅考虑了某一种失效模式情形下的退化规律。然而，功率MOSFET在实际工作过程中，受到温度、电压等应力的同时作用，其失效形式可能由多个失效模式共同表征。因此，为准确评估功率MOSFET的健康状态及预测其剩余寿命需要选取恰当的健康状态特征参数以及合适的剩余寿命预测模型。

本发明融合功率MOSFET分别在电应力和温度应力失效下的特征参数，重新选取能够表征MOSFET在电应力和温度应力共同作用下健康状态的特征参数，以此评估被测功率MOSFET的健康状态。同时，根据健康状态的不同建立不同的寿命预测模型，本发明中建立的分数阶SVM预测模型，具有更好的泛化能力，预测精度更高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率MOSFET健康状态评估与剩余寿命预测方法，通过采集健康功率MOSFET在正常工作条件下的阈值电压、漏源极电压和漏源极电流，建立Box-Cox变换的马氏距离模型，确定功率MOSFET的健康状态评估基准阈值。根据被测功率MOSFET的健康状态建立不同的剩余寿命预测模型，对于处于异常状态的功率MOSFET建立分数阶SVM(Support Vector Machine，支持向量机)预测模型，对于处于正常状态的功率MOSFET建立加速因子寿命模型。

为实现上述目的，本发明的功率MOSFET健康状态评估与剩余寿命预测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：定义标称工作条件下(温度为25℃)性能参数满足要求的功率MOSFET为健康功率MOSFET；等时间间隔连续采集健康功率MOSFET在m个时刻的阈值电压V_th(i)、漏源极电压V_DS(i)和漏源极电流I_DS(i)，计算导通电阻R_DS(i)=V_DS(i)/I_DS(i)，其中i＝1，2，…，m；由导通电阻R_DS(i)和阈值电压V_th(i)获得马氏距离MD_(i)，将马氏距离MD_(i)经Box-Cox变换得到正态分布化的马氏距离服从正态分布N(μ，δ²)，其中μ为的均值，δ²为的方差；以正态分布化的马氏距离作为功率MOSFET的健康状态特征参数，确定功率MOSFET的健康状态评估基准阈值为L₁=(μ+3δ)；

步骤2：计算被测功率MOSFET在T_n时刻时的健康状态特征参数评估被测功率MOSFET的健康状态；选取功率MOSFET的失效阈值L₂，并且L₂>L₁；当时，判定此时被测功率MOSFET为正常状态，采用步骤3进行剩余寿命预测；当时，判定其为异常状态，采用步骤4预测其剩余寿命；当时，判定其为失效状态，即被测功率MOSFET寿命终结；

步骤3：依据T_n时刻被测功率MOSFET的工作温度T_emp(n)和阈值电压V_th(n)计算当前状态下的加速因子AF_(n)并结合功率MOSFET生产商提供的MTTF(Mean Time To Failure，平均失效时间)建立加速因子寿命模型：