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功率模块的温度限制,第2部分:寿命

2019-03-15

在第1部分中,讨论了最大结温的极限。在第2部分中,将使用来自现实生活应用的示例来说明由于温度循环引起的磨损引起的第二热限制。kVx电子头条

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介绍kVx电子头条

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在任何电力电子设计中都应仔细考虑由于温度循环引起的功率模块磨损的影响,特别是在具有高周期性负载和长寿命要求的应用中。半导体封装使用不同的材料构造,这些材料具有不同的热膨胀率,表示为热膨胀系数CTE。温度循环在不同材料中引起应力,最终导致这些材料之间的接头退化。在具有基板的典型功率模块中,这种劣化发生在三个位置:在芯片级,在键合线连接到芯片的顶部金属化表面的顶侧; 在芯片焊接到直接铜焊(DCB)陶瓷的底侧和DCB陶瓷与底板之间的系统焊点中。通过有源功率循环测试实现芯片级的长期温度循环测试,其中典型的温度循环持续几秒,称为功率循环秒(PCsec)测试。对于系统焊料,测试温度循环持续几分钟,称为功率循环分钟(PCmin)测试。kVx电子头条

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图1:用于温度变化模拟的中心DCB的四个角。kVx电子头条

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转换器设计要求kVx电子头条

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此处显示的应用示例适用于三相并网转换器。转换器的寿命规格是为了满足12年的24/7寿命。该设计基于英飞凌科技公司安装在风冷散热器上的300A 1200V EconoDUAL™3模块。最终用户通过测量以1秒间隔采样的典型5天时间段内的负载来提供应用的任务简档。kVx电子头条

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方法kVx电子头条

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寿命估计分为以下五个步骤。kVx电子头条

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1.使命简介。这描述了在典型时间段内最终应用中的实际操作条件。这可能是任何计算中最难的部分,因为实际数据通常不可用。如果没有可用的实际数据,建议使用对任务概况的最佳估计进行分析。kVx电子头条

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2.损失计算。计算半导体损耗,因为它们在任务剖面的时间段内发生变化。通常可以使用简单的计算来确定PCsec或PCmin是否是给定配置文件的限制寿命因子,以减少所需的计算次数。kVx电子头条

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3.温度变化。使用模块的热模型,可以计算任务轮廓期间芯片和系统焊料层的温度变化。如果PCsec是限制因素,则应计算IGBT和二极管芯片的温度变化。kVx电子头条

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4.雨流量化。使用雨流方法算法,可以从温度分布中提取ΔT偏移,然后量化或分组成它们的不同ΔT范围。例如,27.5°C和32.5°C之间的所有ΔT偏移可以在同一个箱中组合在一起,ΔT为30°CkVx电子头条

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5.供应商数据的生命周期估计。可以使用显示由模块供应商提供的特定ΔT水平的统计退化的图来估计ΔT事件的每个仓的消耗寿命百分比。然后可以将所有箱的寿命百分比相加,以提供在整个任务剖面上使用的设计寿命的总百分比。注意,这确实假设所有降级将线性地相加。kVx电子头条

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工作示例kVx电子头条

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任务简介和损失计算器kVx电子头条

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最终用户为装载任务配置文件提供了超过400,000个数据点,第一步是以某种方式减少用于分析的数据点数量; 但是如何确定哪些时间段是典型的还是最坏的情况?为了帮助进行初始评估,数据被分成135个块,每个块包含3200个样本(大约53分钟的数据)。整合每个块的负载值并绘制具有最高级别的块。选择一个块用于分析,其使用工程判断具有显着的负载峰值和谷值,其产生大的ΔT。使用英飞凌的在线工具Iposim,计算了IGBT和二极管芯片的几个负载点的损耗。曲线拟合应用于这些损失与 加载点可以在任何负载点进行简单的损耗插补。注意这里的任务被简化,因为(电网的)基频和IGBT的开关频率都是固定的。当涉及更多变量时,这种损失估计变得更加复杂。在对温度变化进行初始估算计算之后,显然PCmin将是限制因素,因为在电网基频处,芯片上存在低温纹波。kVx电子头条

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温度变化与雨流量化kVx电子头条

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计算的下一步是估算DCB和基板之间的焊料层在损耗曲线上的温度变化,因为该焊料层的任何退化,以及由此导致的芯片热阻增加主要取决于温度,ΔT。使用模块的有效元模型(FEA),可以模拟DCB拐角处系统焊料层的温度,见图1。使用角是因为这是应力最高的地方以及降解或分层开始的地方(1)。kVx电子头条

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图2:DCB温度随5秒功率脉冲的温度变化。kVx电子头条

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图2显示了10秒负载循环期间的温度变化。运行完整的FEA模型以获得53分钟的瞬态损耗曲线是不切实际的。一种更简单的方法是使用FEA模型推导出电气等效电路Foster模型,该模型描述了焊料层在动态功率损耗方面的瞬态热特性。通过在FEA模型中将恒定功率应用于IGBT和二极管芯片,可以推导出该模型。一旦达到稳态温度,则移除功率,并记录系统焊料层角落的平均温度的冷却曲线,参见图3。kVx电子头条

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图3:源自FEA模型的DCB拐角的冷却曲线。kVx电子头条

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从该冷却曲线得到如图3所示的三阶Foster模型。然后将来自步骤1的3200个功率损耗值的块馈入三阶Foster模型,并获得如图4所示的ΔT值。kVx电子头条

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图4:以瓦特为单位的中心DCB功率损耗和计算出的平均值。DCB转角温度与时间的关系。kVx电子头条

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根据该温度曲线,使用雨流算法提取ΔT值并对其进行分箱。在该应用中,由于转换器在气候受控环境中运行,环境温度变化可以被忽略,然而,通常需要在任务简档中考虑环境变化。kVx电子头条

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终身估计kVx电子头条

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然后可以使用英飞凌提供的数据计算每个箱使用的设计寿命百分比。这些数据以图形形式提供,显示了模块在任何给定ΔT下达到其定义设计寿命终点所需的循环次数(生命定义为热阻结合情况增加20%) 。例如,根据图4所示数据的雨流分析,在Δ30℃箱中存在单个ΔT事件。在12年的使用寿命中,相当于30°C的Δ120,000个温度循环。ΔT为30°C的定义设计寿命为≈500,000次循环,因此该箱使用≈24%的使用寿命。对所有箱子求和,估计12年内使用寿命的百分比为54%。换句话说,设计寿命的终点估计为22年。kVx电子头条

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下一级kVx电子头条

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在此估算中,工程判断与假设和遗漏一起使用以减少工作,并在10%的工作中得出90%的答案。一旦FEA模型可用,此处显示的计算需要1-2天的工作时间。请注意,强烈建议与模块供应商密切合作,以充分了解实际任务周期与提供的供应商测试数据(2)之间的相关性,同时评估计算中所做假设的可能影响。可以考虑一些可能的选项,以帮助提供更准确的结果:kVx电子头条

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•在所有135个数据块上运行完整的雨水流,并考虑最小,最大和平均时间块的设计寿命。kVx电子头条

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•包括由于温度循环起始温度引起的环境温度变化和寿命变化。kVx电子头条

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•考虑到由于焊料层的分层和任何热界面材料(TIM)的劣化导致的热阻增加。kVx电子头条

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•利用不同的IGBT芯片损耗与二极管损耗比计算Foster模型的变化。 kVx电子头条

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如果考虑这些和其他二阶效应并且包括诸如电容器和风扇的其他部件的故障模式,则转换器的任何寿命可靠性估计可能非常耗时。应该记住,所有这些计算都是基于统计分析,并且只与输入数据一样好。那多少钱够了?一些可能有助于解决这个难题的答案的问题是:转换器故障的成本是多少,最坏情况条件确实发生的频率,任务剖面的准确度和基本损失和温度计算是多少,实际是什么现实生活中的要求最后,作为一名设计工程师,你想在晚上睡得多好?还可以在系统中实施控制在线寿命估计器,并且因此如果客户已经使转换器经历特别严重的任务简档,则能够预先采取预防性维护。kVx电子头条

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结论kVx电子头条

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在这两篇文章中,我们考虑了基于IGBT的功率模块的热设计中的两个不同角点。在第1部分中,重点是保持半导体本身低于最高工作温度; 在第2部分中,重点是计算模块内部互连是否能够承受温度波动并满足产品的设计寿命规范。这两个角点可以互相排斥,建议将这两个热约束视为任何设计评审过程的关键组成部分。 kVx电子头条

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[1]有铜基板的IGBT模块中有源和无源热循环应力与基板焊接可靠性的比较。马克谢弗。PCIM Europe 2014。kVx电子头条

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