电梯变频器IGBT模块寿命估算方法

钟海峰

摘 要：电梯变频器是电梯驱动系统的主要部件，其运行可靠性是系统设计重点关注的问题[1]。IGBT模块作为变频器的关键器件，其结温将随着运行负载变化而波动，并产生电热应力冲击，将对模块造成累计损伤，最终使得模块失效[2]。由于实时检测IGBT的结温十分困难，本文讨论了一种根据实测IGBT铜基板温度，结合仿真软件计算得到的结壳温升，推算电梯实际工况下IGBT的结温波动，从而评估IGBT模块的寿命的方法，对电梯系统可靠性设计有一定的借鉴意义。

关键词：IGBT模块;结温波动;寿命预测;电梯

1 引言

变频器作为电梯驱动系统的核心部件，其成本、热性能、可靠性等都是系统设计时需要考虑的问题。其中IGBT模块作为变频器的关键器件，其寿命问题直接影响电梯的安全可靠运行。由于IGBT模块各层材料的热膨胀系数不同，温度波动使其各层材料受到不同程度的拉伸和压缩应力，如此反复，最终导致IGBT模块焊接层、绑定线等断裂失效[3]。因此IGBT模块的寿命预测对提高电梯运行可靠性具有重要意义。

结温是影响IGBT模块寿命的关键因素，是IGBT模块寿命预测的基础。但实际产品开发过程中IGBT的结温难以实时测量到。本文讨论了一种通过仿真和实测模块基板温度得到模块的结温波动，再结合电梯运行实际工况对IGBT模块寿命进行预测的方法。

2 IGBT模块的失效模式

2.1 IGBT模块的典型失效模式

导致IGBT模块失效的模式，通常有以下几种：

a热疲劳损坏。包括IGBT/FWD芯片-绝缘基板-铜基板之间的热膨胀差异导致焊接层裂纹，以及IGBT/FWD芯片-绑定线的热膨胀差异导致的连接界面的剥离。

b机械特性的劣化。指机械的应力导致的绑定线连接端子的破裂。

c腐蚀的影响。包括湿度及腐蚀性气体（H2S、Sox、NOx、CI2、HCI）引起的电气迁移，从而导致IGBT/FWD芯片耐压劣化的发生，以及绝缘基板上铜箔之间短路的发生。

2.2 IGBT模块热疲劳失效模式

在系统应用中，IGBT模块机械特性的劣化以及环境因素导致失效的情况，不同场合的应用差异可能非常大，具有不确定性。本文主要关注IGBT模块在运行过程中自身温度变化产生的热疲劳对模块寿命的影响。

（1）热疲劳产生的原因

IGBT内部不同材料之间存在热应力，进而导致热疲劳。由于IGBT模块是由多种材料组成，这些材料具有不同的CTE（热膨胀系数）。IGBT运行产生的温度波动会在相邻层产生热机械应力，这种热机械应力是IGBT模块中材料疲劳老化，进而失效的根本原因。

（2）热疲劳失效模式分析

在材料科学中，疲劳是在循环应力下呈现局部化和渐进化的破坏。IGBT模块热疲劳典型的失效点包括：绑定线根部，芯片金属化层，以及DCB与芯片或铜基板之间的焊接层。通过温度循环（TC）和功率循环（PC）测试，可以观察到IGBT模块热疲劳失效点的显著变化。

IGBT模块TC测试的焦点是芯片和DCB之间的连接（芯片焊接层），以及DCB和底板的连接（系统焊接层）。连接的两种材料的热膨胀系数相差越大，连接点在受热或冷却过程中所受的压力就越大。TC测试后，模块焊层从DCB的角落开始分离并蔓延出去。焊层分离区域中的热阻会增加，如果一个功率半导体芯片处在该区域中，增加的热阻会导致结温Tj增加。

IGBT模块PC测试的焦点是连接芯片和DCB的绑定线。在工作过程中的加热和冷却会引起绑定线重复性的微运动，长此以往，会导致绑定线出现疲劳和裂纹，最终会造成绑定线断裂。同时，由于芯片表面不断地被加热和冷却，芯片金属覆层的结构会不断发生变化。最终，表面结构的变化越来越大以至于和芯片接触面的连接松动，导致绑定线与芯片表面分离[4]。

通常厂商会对IGBT模块进行大量的温度循环（TC）和功率循环（PC）测试，从而确定结温波动对于IGBT模块寿命的影响[5]。图2所示为IGBT模块功率循环曲线。功率循环测试可以加速模拟IGBT模块在实际工作中可能承受的热机械应力。故该曲线实际上描述了不同结温波动条件下模块失效前所能完成的功率循环次数，不同的平均结温对应不同的曲线。

3 电梯负载特性

对于大多数常规工业应用，使用热仿真软件，并结合相应的功率循环曲线，就可以进行简单的寿命计算。这种计算只考虑每个负载周期中最大的温度波动，忽略较小的温度波动。

在电梯应用中，负载条件更复杂，由模块输出电流波形分析，如图3所示。电梯上行、下行完成一个大的负载周期，IGBT模块会产生两次大的结温波动;同时，运行过程中加速、匀速和減速的负载电流大小和频率不一样，将导致模块结温有小幅的波动。

对于这种大小波动重叠在一起的温度曲线，目前比较通用的方法是采用雨流算法（Rain Flow）将其分解简化为若干个具有不同波动幅度的负载循环。将雨流算法简化后的不同温度波动通过对应模块的寿命曲线进行计算，可以得到指定任务周期的循环次数[3]。

4 IGBT模块寿命估算

在实际变频器产品开发过程中，IGBT模块的结温通常难以直接测量，一般只测量模块铜基板的温度。可通过IGBT厂家提供的仿真软件，计算出在特定负载工况下的结壳温升，结合实际测得的模块铜基板温度，推算出实际的模块结温。

4.1 IGBT结温波动值计算

（1）结壳温升仿真计算

以富士IGBT模块为例，使用IGBTSim仿真软件，选择循环模式。输入一个周期时间内，各个时间段实际测得的模块输出电流大小、频率，以及直流母线电压、功率因数、调制指数、调制模式和模块驱动参数。仿真计算结果如图4所示。