結(jié)合整車路譜的絕緣柵雙極型晶體管模塊壽命預(yù)測方法研究

潘彥全 劉志強(qiáng) 李敏 劉佳男

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

1 前言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是新能源電動(dòng)汽車的重要部件，隨著IGBT模塊市場規(guī)模的逐步擴(kuò)大，其可靠性和在惡劣環(huán)境下的工作壽命成為熱點(diǎn)研究問題，而IGBT模塊的壽命預(yù)測成為各模塊制造商和整車制造商關(guān)注的焦點(diǎn)。

在電驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初對IGBT 模塊的壽命進(jìn)行預(yù)測可有效降低產(chǎn)品的故障率，并有助于相應(yīng)的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)。實(shí)時(shí)監(jiān)測IGBT 模塊關(guān)鍵參數(shù)以獲得模塊的剩余壽命成為電驅(qū)系統(tǒng)健康管理技術(shù)的重要研究內(nèi)容。

本文以常見的IGBT模塊為例，結(jié)合整車提供的路譜，提出一種評估IGBT 壽命消耗的方法。首先，根據(jù)整車路譜提供的電驅(qū)扭矩、轉(zhuǎn)速等信息進(jìn)行仿真得到相電壓、相電流及功率因數(shù)，查表獲得電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下逆變器的開關(guān)頻率。然后，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算IGBT的損耗，并結(jié)合熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算IGBT的結(jié)溫，得到對應(yīng)整車路譜的IGBT 溫度變化曲線。最后，利用雨流計(jì)數(shù)法提取特征參數(shù)，結(jié)合IGBT 的壽命模型評估相應(yīng)路譜的IGBT 損傷率，從而評價(jià)IGBT的壽命是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2 IGBT損耗計(jì)算

在電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器中，功率模塊的損耗占比超過整個(gè)逆變器損耗的90%。IGBT 模塊的損耗主要由4 個(gè)部分組成，即IGBT 導(dǎo)通損耗、IGBT開關(guān)損耗、二極管導(dǎo)通損耗和二極管反向恢復(fù)損耗。IGBT 模塊內(nèi)部損耗主要由IGBT 芯片和二極管芯片產(chǎn)生，損耗的大小受負(fù)載電流、直流電壓、芯片結(jié)溫、門極驅(qū)動(dòng)電阻和門極驅(qū)動(dòng)電壓影響。負(fù)載電流、直流電壓和芯片結(jié)溫與具體設(shè)計(jì)有關(guān)，損耗計(jì)算必須考慮這4個(gè)因素的影響[1]。

在正弦輸出電流條件下，計(jì)算IGBT平均損耗的準(zhǔn)確方法是將整個(gè)周期內(nèi)的每個(gè)開關(guān)脈沖電流所產(chǎn)生的開通能量Eon、關(guān)斷能量Eoff和導(dǎo)通能量Econd求和。

2.1 IGBT的導(dǎo)通損耗

在逆變器中，IGBT 被用作開關(guān)器件，理想情況下，IGBT 導(dǎo)通時(shí)，可以視為一根導(dǎo)線，但實(shí)際應(yīng)用中，IGBT 存在導(dǎo)通壓降Vcesat，其導(dǎo)通后，在電流與電壓共同作用下產(chǎn)生的發(fā)熱損耗形成了IGBT的導(dǎo)通損耗。二極管的導(dǎo)通損耗原理與此基本相同。在一個(gè)輸出周期T0內(nèi)，IGBT 平均導(dǎo)通損耗Pcond(IGBT)為：

式中，VCE(t)=VCET+RTi(t)為導(dǎo)通電壓，可根據(jù)IGBT 數(shù)據(jù)手冊上的輸出特性曲線（集電極電流IC-VCE曲線，如圖1 所示）和相應(yīng)的計(jì)算公式獲取；f(t)=0.5×(1+M(sin(ωt+φ)))為 基 于 空 間 矢 量 脈 寬 調(diào) 制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）技術(shù)計(jì)算得到的占空比函數(shù)；i(t)為電流；VCET為門限電壓；RT為門限電阻；M為輸出峰值電壓VOP與直流電壓VDC的比值；ω為角頻率；t為時(shí)間；φ為相位。

圖1 某IGBT模塊IC-VCE曲線

根據(jù)M的取值可設(shè)計(jì)不同的工作模式：M<1 時(shí)為線性調(diào)制模式；1≤M<4/π 時(shí)為過調(diào)制模式；M=4/π時(shí)為方波調(diào)制方式。在M>1 的調(diào)制過程中，參考波形等效為一個(gè)非正弦調(diào)制信號。

根據(jù)上面的條件可以推導(dǎo)出IGBT 的平均導(dǎo)通損耗Pcond(IGBT)：

式中，IP為峰值電流。

2.2 IGBT的開關(guān)損耗

IGBT 開關(guān)損耗來源于開關(guān)暫態(tài)過程，電壓與電流存在交疊部分產(chǎn)生損耗發(fā)熱。開關(guān)損耗的準(zhǔn)確計(jì)算方法是對每個(gè)開關(guān)時(shí)刻的開通能量和關(guān)斷能量的積分求平均值。通常，在給定負(fù)荷電流的條件下，IGBT開關(guān)損耗Psw(IGBT)接近線性[2]：

式中，fsw為開關(guān)頻率；Inom為標(biāo)稱電流；Vnom為標(biāo)稱電壓。

IGBT 的總損耗即為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之和，利用數(shù)據(jù)手冊上的信息即可對IGBT 的損耗進(jìn)行理論計(jì)算。

2.3 二極管的反向恢復(fù)損耗

二極管正向?qū)〞r(shí)，即IGBT 關(guān)斷、二極管續(xù)流時(shí)，設(shè)二極管兩端電壓為VF、二極管的電流為IF，如圖2所示，其中V0為母線電壓。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，二極管兩端電壓如圖3所示，由正電壓變?yōu)樨?fù)電壓（其中VRF為反向恢復(fù)電壓），理想情況下，二極管應(yīng)立即截止，即流過二極管的電流迅速變?yōu)?，但實(shí)際上二極管并不會(huì)立即截止，而是產(chǎn)生較大的反向電流IRec，并在一定時(shí)間內(nèi)逐漸接近0，此時(shí)二極管截止。二極管的反向恢復(fù)過程如圖4所示。

圖2 二極管正向?qū)ㄊ疽?/p>

圖3 IGBT導(dǎo)通時(shí)二極管兩端電壓變化情況

圖4 IGBT導(dǎo)通時(shí)二極管電流變化情況

在二極管反向恢復(fù)過程中，反向恢復(fù)電流與施加在二極管兩端的電壓交疊產(chǎn)生損耗，即為二極管的反向恢復(fù)損耗Prec(Diode)：

式中，Erec為二極管反向恢復(fù)能量。

3 IGBT結(jié)溫計(jì)算

IGBT 工作過程中，其開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗會(huì)造成模塊的溫度變化并以熱量的形式向外散發(fā)。熱量的傳遞方式主要有熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流，在IGBT模塊中，芯片產(chǎn)生的熱量主要以熱傳導(dǎo)的方式向外散發(fā)，因此影響IGBT模塊工作溫度的主要因素為模塊的損耗和傳熱路徑的熱阻、熱容。熱阻是指當(dāng)有熱量在物體上傳輸時(shí)，物體兩端溫度差與熱源的功率間的比值；熱容是指向系統(tǒng)施加的微小熱量與由此形成的溫升的比值。功率器件的瞬態(tài)熱阻抗通常使用阻容（RC）網(wǎng)絡(luò)熱模型模擬。典型的阻容網(wǎng)絡(luò)模型有共地模型（Cauer 網(wǎng)絡(luò)模型）和非共地模型（Foster網(wǎng)絡(luò)模型）如圖5所示[3]，其中，Zth為瞬態(tài)熱阻抗，Rthn、Cthn為第n階熱阻、第n階熱容，P(t)為隨時(shí)間變化的瞬時(shí)功率，T為相對參考點(diǎn)的溫度。

圖5 2種典型阻容網(wǎng)絡(luò)模型

Cauer 網(wǎng)絡(luò)模型在一定程度上反映了器件內(nèi)部傳熱的物理本質(zhì)，熱阻和熱容與器件各層物理結(jié)構(gòu)存在對應(yīng)關(guān)系，目前常用的Cauer 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)獲取方法是利用Foster 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效變換和根據(jù)各層材料的屬性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中較為繁瑣。而Foster 網(wǎng)絡(luò)模型的RC 節(jié)點(diǎn)不再與物理結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，在參數(shù)獲取上也更加容易，通常可在制造商提供的數(shù)據(jù)手冊中獲得，如圖6 所示，也可通過Saber 等軟件仿真得到，如圖7所示。

圖6 某IGBT模塊熱阻曲線

圖7 Saber仿真結(jié)果

根據(jù)得到的熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，結(jié)合IGBT的開關(guān)損耗Psw、導(dǎo)通損耗Pcond和冷卻液溫度TF，即可得到IGBT模塊工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫Tj：

由初始溫度開始進(jìn)行計(jì)算并迭代，結(jié)果如圖8所示。

圖8 IGBT穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計(jì)算結(jié)果

將整車路譜代入，得到對應(yīng)的結(jié)溫變化曲線，如圖9 所示。循環(huán)時(shí)間為600 h，單次循環(huán)時(shí)間為360 s，循環(huán)約6 000次。

圖9 IGBT結(jié)溫變化曲線

4 IGBT功率循環(huán)測試

IGBT 模塊的功率循環(huán)測試需使用功率循環(huán)測試臺，如圖10 所示，測試標(biāo)準(zhǔn)參照AQG324 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。AQG324 是歐洲電力電子中心針對汽車用功率模塊提出的測試標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境測試項(xiàng)目提出了要求，對部分測試項(xiàng)目測試條件和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出了建議。

圖10 功率循環(huán)測試臺

將某IGBT 模塊在結(jié)溫波動(dòng)ΔTj分別為60 ℃、0 ℃、100 ℃條件下各按照秒級循環(huán)進(jìn)行一組測試，得到該模塊對應(yīng)溫升下的功率循環(huán)次數(shù)，如表1所示。

表1 功率循環(huán)測試結(jié)果

根據(jù)功率循環(huán)測試得到的結(jié)果，結(jié)合解析壽命模型即可得到IGBT 的壽命曲線。本文采用Coffin-Manson 模型進(jìn)行解析。Coffin-Manson 模型考慮了結(jié)溫波動(dòng)ΔTj對壽命的影響，壽命預(yù)測模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Nf為失效循環(huán)次數(shù)；m、n為常數(shù)，由材料屬性決定，分別反映了材料應(yīng)變能力和器件周期性的疲勞程度，可通過數(shù)值仿真或循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合獲得[4]。

如圖11所示，該模塊的壽命曲線表達(dá)式為：

圖11 某IGBT模塊壽命曲線擬合結(jié)果

5 載荷歷程簡化

本文采用雨流計(jì)數(shù)法將實(shí)測載荷歷程簡化為若干個(gè)載荷循環(huán)，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗(yàn)載荷譜使用。雨流計(jì)數(shù)法以雙參數(shù)法為基礎(chǔ)，考慮了動(dòng)強(qiáng)度（幅值）和靜強(qiáng)度（均值），符合疲勞載荷本身固有的特性，其計(jì)數(shù)規(guī)則如下：

a. 雨流依次從載荷時(shí)間歷程峰值的內(nèi)側(cè)沿斜坡流下；

b.雨流從某個(gè)峰值點(diǎn)開始流動(dòng)，當(dāng)遇到比其起始峰值大的峰值時(shí)停止流動(dòng)；

c.雨流遇到上方流下的雨流時(shí)停止流動(dòng)；

d.取出所有的全循環(huán)，記錄每個(gè)循環(huán)的幅度；

e.將第1 階段計(jì)數(shù)后剩下的發(fā)散收斂載荷時(shí)間歷程等效為1 個(gè)收斂發(fā)散型的載荷時(shí)間歷程，進(jìn)行第2 階段的雨流計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)循環(huán)的總數(shù)等于2 個(gè)計(jì)數(shù)階段的計(jì)數(shù)循環(huán)之和。

結(jié)合此前得到的結(jié)溫變化曲線，利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)雨流計(jì)數(shù)，結(jié)果如圖12所示。

圖12 雨流計(jì)數(shù)法結(jié)果示意

6 IGBT模塊損傷率計(jì)算

基于Miner 定律對IGBT 模塊的損傷率進(jìn)行計(jì)算，Miner 疲勞損傷累積假說認(rèn)為：根據(jù)δ-N曲線的定義，在恒定應(yīng)力幅值δ作用下，零件運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)次數(shù)為N時(shí)，將產(chǎn)生完全損傷，則零件在應(yīng)力δ的作用下運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n（n

基于Miner 定律，結(jié)合雨流計(jì)數(shù)法得到的結(jié)果如表2所示。

表2 雨流計(jì)數(shù)法輸出結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，IGBT 模塊的損傷率α=1.387 592。損傷率α>1 意味著在對應(yīng)整車工況下，該模塊可能出現(xiàn)失效，應(yīng)重新評估模塊選型結(jié)果或試驗(yàn)工況是否過于激烈。

7 結(jié)束語

本文介紹了一種結(jié)合整車路譜的IGBT 模塊壽命預(yù)測方法，IGBT模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)用工況多樣，很難完全通過計(jì)算、仿真手段獲取與實(shí)際工況完全一致的數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步提升預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，未來還可從以下幾個(gè)角度進(jìn)行改進(jìn)：

a.提升IGBT 損耗計(jì)算的準(zhǔn)確性及熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，或增加精度足夠且能夠直接檢測IGBT芯片結(jié)溫的溫度傳感器。

b. 解析模型和物理壽命模型均未綜合考慮應(yīng)力環(huán)境，無法融入濕度、磁場、振動(dòng)等復(fù)雜應(yīng)力條件對IGBT模塊壽命的影響。因此，為進(jìn)一步提升預(yù)測精度，可以考慮構(gòu)建多種環(huán)境因素的預(yù)測模型。

c.隨著云計(jì)算、人工智能算法及大數(shù)據(jù)理論的發(fā)展，可以在云端對行車數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，得到基于實(shí)際使用工況的IGBT模塊使用壽命，從而提出基于實(shí)際數(shù)據(jù)的IGBT模塊壽命模型。