一种监测IGBT模块热疲劳老化的方法及不均匀老化的方法

技术领域

本发明涉及一种检测老化的方法，尤其涉及一种监测IGBT模块热疲劳老化的方法及不均匀老化的方法。

背景技术

多芯片并联IGBT模块在大功率变流器中得到了广泛的应用，比如高速列车的牵引系统，风力和光伏的发电系统等等。然而由于热循环的反复冲击作用以及内部上下物理层热膨胀系数的不匹配，加之并联芯片间电流的不均匀分布和散热系统的不均匀导热，IGBT模块内部处于并联状态的功率半导体器件长期承受不均衡的电热应力，导致每个并联器件的热疲劳失效速率不一致，使得多芯片并联IGBT模块在运行过程中易产生不均匀的热疲劳老化。更进一步的研究则表明，这种不均匀的热疲劳老化会增加并联器件间结温的差异，加重电流的不均匀分布程度，造成IGBT模块降额运行的同时还会加速其失效进程，进而缩短功率模块的使用寿命，降低其可靠性。

如何实现多芯片并联IGBT模块的状态监测是一个极具挑战性的问题，现有方法主要基于集射极饱和压降V

此外，现有的方法还缺乏对多芯片并联IGBT模块内部并联器件老化不均匀程度的监测。由于不均匀的热疲劳老化会加剧并联器件间结温和电流的分布差异，使得IGBT模块降额运行，进而影响功率变流器的正常工作。

发明内容

本发明为了准确监测多芯片并联IGBT模块中每个并联器件的老化程度，提供了一种监测IGBT模块热疲劳老化的方法，该方法通过建立二阶考尔型热网络模型确定热网络模型中各阶参数与壳温降温曲线时间常数之间的映射关系，通过有限元仿真模型得到壳温降温曲线时间常数的变化规律，根据映射关系和变化规律检测并联器件的老化程度。

本发明所采取的技术方案为：一种用于监测多芯片并联IGBT模块热疲劳老化的方法，包括以下步骤

A建立壳温降温曲线时间常数与IGBT模块器件参数之间的对应关系所述步骤A包括：

S01建立IGBT模块中每个并联器件对应的二阶考尔型热网络模型，所述IGBT模块中设置有至少有两个器件并联，每个并联器件均设置有用于散热的散热器，所述二阶考尔型热网络模型中包括第一阶参数和第二阶参数，所述第一阶参数为并联器件参数，所述第二阶参数为散热器参数；

S02根据所述二阶考尔型热网络模型建立壳温降温曲线时间常数和热网络模型中各阶参数之间的映射关系；

B获取IGBT模块壳温降温曲线时间常数的变化曲线

所述步骤B包括

S01建立IGBT模块的有限元仿真模型，所述有限元仿真模型为通过减小焊料层的面积来模拟IGBT模块的老化进程；

S02根据所述有限元仿真模型和步骤A建立的映射关系获得反映每个并联器件健康状态的时间常数的变化曲线；

C测量并联器件下的壳温降温曲线得到反映并联器件健康状态的时间常数；

D依据步骤B中得到的并联器件健康状态的时间常数的变化曲线判断步骤c中时间常数所对应的并联器件的健康状态。

进一步的，步骤A和步骤B同时进行即并列进行。

进一步的，所述二阶考尔型热网络模型中第一阶参数为并联器件的热阻和热容，二阶考尔型热网络模型中第二阶参数为散热器的热阻和热容；

进一步的，壳温降温曲线时间常数和热网络模型中各阶参数之间的映射关系为

其中R

进一步的，结合所述有限元仿真模型和结构函数法得到并联器件的热阻值R

进一步的，所述步骤C具体为

安装用于检测并联器件温度的热电偶，每个并联器件对应一个热电偶；

通过热电偶检测的温度建立壳温降温曲线；

所述壳温降温曲线通过表达式

本发明还提供了一种用于监测多芯片并联IGBT模块热疲劳不均匀老化的方法，包括以下步骤

A建立壳温降温曲线时间常数与IGBT模块器件参数之间的对应关系所述步骤A包括：

S01建立IGBT模块中每个并联器件对应的二阶考尔型热网络模型，所述IGBT模块中设置有至少两个并联器件，每个并联器件均设置有用于散热的散热器，所述二阶考尔型热网络模型中包括第一阶参数和第二阶参数，所述第一阶参数为并联器件参数，所述第二阶参数为散热器参数；

S02根据所述二阶考尔型热网络模型建立壳温降温曲线时间常数和热网络模型中各阶参数之间的映射关系

B获取IGBT模块壳温降温曲线时间常数的变化曲线

所述步骤B包括

S01建立IGBT模块的有限元仿真模型，所述有限元仿真模型为通过减小焊料层的面积来模拟IGBT模块的老化进程；

S02根据所述有限元仿真模型和步骤A建立的映射关系获得反映每个并联器件健康状态的时间常数的变化曲线；

C测量并联器件下的壳温降温曲线得到反映并联器件健康状态的时间常数；

D选取IGBT模块中心位置的并联器件时间常数作为分母，边缘并联器件时间常数作为分子，计算比值，比值越大，不均匀老化程度越严重。

本发明所产生的有益效果包括：本发明通过构建等效考尔热网络模型获得壳温降温曲线时间常数与热网络模型之间的对应关系，构建有限元仿真模型，获得IGBT模块老化过程中壳温降温曲线时间常数的变化规律，根据对应关系和变化规律判断模块中各并联器件的老化程度和各器件不均匀老化的程度，准确获得IGBT模块的健康状态。量化热疲劳老化的不均匀程度将会有助于分析并联器件间结温和电流分布的不均匀程度，为功率变流器的安全稳定运行提供指导。

附图说明

图1本发明中监测方法的流程图；

图2本发明中IGBT模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

请参见图1，其示出了本发明所述的一种用于监测多芯片并联IGBT模块热疲劳老化的方法，包括步骤：

a.根据IGBT模块和散热器的物理参数和结构，建立等效考尔热网络模型；如图2，IGBT模块包括m个相互并联的器件，m大于2，本实施例中m大于3、每个并联器件均对应一个散热器，并联器件的热阻和热容为R

本实施例中，步骤a具体包括：根据IGBT模块和散热器的物理参数(热阻和热容)和结构(并联器件的个数)，针对每个并联器件建立相对应的二阶考尔型热网络模型，如图2所示，其中第一阶参数和器件相关，第二阶参数和散热器相关。第一阶RC参数对应并联器件的热阻和热容，第二阶RC参数为散热器的热阻和热容。

b.利用建立的二阶考尔型热网络模型中热参数之间的数量级差异，这里差异是指C

在本实施例中，步骤b具体包括：根据等效热网络模型中第一阶和第二阶热参数在数值量级上的差异，建立热网络参数和壳温降温曲线时间常数之间的映射关系，如下所示：

其中R

c.结合IGBT模块的有限元仿真模型和建立的映射关系，获得反映每个并联器件健康状态的时间常数τ

在本实施例中，步骤c具体包括：基于IGBT模块的有限元仿真模型，通过减小焊料层的面积来模拟IGBT模块的老化进程，并依据结构函数法测量出R

d.通过拟合测量的每个并联器件下的壳温降温曲线得到反映每个并联器件健康状态的时间常数τ

在本实施例中，步骤d具体包括：在每个并联器件底部中心安装热电偶，通过测量壳温降温曲线，并结合表达式

e.结合步骤c中τ

在本实施例中，步骤e具体包括：依据τ

用于监测多芯片并联IGBT模块热疲劳不均匀老化的方法为：

计算最靠近IGBT模块基板中心点的并联器件时间常数和最远离IGBT模块基板中心点的并联器件时间常数之间比值，分析IGBT模块内部不均匀老化程度，比值越高，说明老化越不均匀。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。