[发明专利]一种压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法

说明书

本发明公开了压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，属于电力电子器件可靠性分析技术领域。方法包括建立压接型IGBT模块几何模型；设置不同材料的参数；根据各个物理场的耦合关系，考虑电学、热学、力学约束，设定压接型IGBT模块的仿真条件；仿真分析不同位置的芯片故障后对其他芯片应力及温度分布的影响；利用寿命预测模型，计算IGBT模块不同位置芯片故障时的寿命。本发明相较于现有技术中关注的在IGBT内部芯片正常运行时对于IGBT内部的温度场和应力场的建模和仿真，本发明结果对于压接型IGBT模块的可靠性分析具有重要的理论意义与重大的工程运行指导意义。

技术术领域

本发明属于电力电子器件可靠性分析技术领域，具体涉及一种压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法。

背景技术

自从20世纪80年代以来，IGBT在几个兆瓦的功率范围逐步占据优势。压接型IGBT因其易于串联、功率密度大等特点广泛应用于柔性直流输电系统、电力机车中。柔性直流输电系统和电力机车是国家重大战略需求，柔性直流输电系统是能源供应的基本保障，电力机车承担着国家交通输运的重大任务，他们的安全运行是国家财产和人民生命安全的有力保障。

压接型IGBT模块常工作于高温、高电压、大电流的环境下，内部的电-热-力相互耦合，造成压接型IGBT模块易出现电热失效故障，给柔性直流输电系统和电力机车的安全运行带来严重威胁。

现有技术中，国内外研究人员的研究主要集中在IGBT内部芯片正常运行时对于IGBT内部的温度场和应力场的建模和仿真，对于定性分析IGBT常见的失效机理提供了很好的基础，但是对于某一芯片损坏后对其他芯片应力、温度以及寿命的影响尚无研究。但是在实际运行环境中，IGBT的故障常发生在压接型IGBT模块的某一个或某几个位置上，而不是整体全部故障失效，因此，研发一种压接型IGBT模块不同位置芯片故障对其他部位芯片影响的分析方法对于压接型IGBT模块可靠性分析及寿命预测具有十分重要的工程意义。

发明内容

本发明的目的在于提供压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，以分析压接型IGBT模块仿真计算中仅考虑内部芯片正常运行时对于IGBT内部的温度场和应力场的建模和仿真，无法满足工程应用中对压接型IGBT模块的可靠性分析预测。

为了解决以上问题，本发明技术方案为：

压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，分为以下步骤：

S1、根据实际尺寸，建立压接型IGBT模块几何模型；

S2、设置各层不同材料的参数；

根据S1中选择的压接型IGBT模块，确定该模块不同材料的参数，包括：电导率、相对介电常数、导热系数、热膨胀系数、恒压热容、密度、杨氏模量、泊松比；

并根据该压接型IGBT模块输出特性曲线，设置硅的电导率；

S3、根据各个物理场的耦合关系，考虑电学、热学、力学约束，设定压接型IGBT模块的仿真条件；

设置对IGBT模块的电学约束；将二极管以及发生不导通故障的芯片设置为电绝缘；

设置对IGBT模块的热学约束；

设置对IGBT模块的力学约束；

S4、仿真不同位置的芯片故障后，获取其它芯片应力及温度分布，与正常工作时的其它应力、温度进行对比与分析；

S5、利用寿命预测模型，计算IGBT不同位置的芯片故障时的寿命；

利用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型计算芯片存在不导通故障时的寿命。