(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210559152.X (22)申请日 2022.05.22 (71)申请人 北京化工大 学 地址 100029 北京市朝阳区北三环东路15 号 (72)发明人 王维民　高黎明　户东方　 (74)专利代理 机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 1 1203 专利代理师 王兆波 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种基于功率损耗数学模型及有限元方法 的IGBT模块寿命预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于功率损耗数学模型 及有限元方法的I GBT模块寿命预测方法， 通过建 立IGBT的功率损耗数学模型， 计算获得模块功率 损耗， 借助有限元仿真软件， 迭代计算获得芯片 结温， 进一步获得IGBT模块的整体热应力分布， 最后导入nCodeDesignlife软件， 实现IGBT模块 的寿命预测计算。 本发明基于数学解析及有限元 仿真的方法， 验证过程借助有限元软件完成， 而 不需要改变或破坏相应器件的内部结构， 从而对 人力物力的消耗较小。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 115081268 A 2022.09.20 CN 115081268 A 1.一种基于功率损耗数学模型及有限元方法的IGBT模块寿命预测方法， 其特征在于， 包括以下步骤： (1)根据IGBT结构、 功能及服役工况确定IGBT模块的功率损耗模型； (2)初步确定负载电流 Ic和芯片结温Tj1， 计算获得IGBT芯片的功率损耗； (3)建立IGBT模块有限元模型， 根据所述功率损耗计算获得IGBT芯片结温Tj2； (4)判断步骤(3)计算结 温Tj2是否等于步骤(2)所述结 温Tj1， 若不相等， 根据新的芯片结 温， 重复步骤(2)， 步骤(3)， 直至步骤(3)计算结果 等于步骤(3)结温， 获得最终芯片结温； (5)由最终芯片结温， 计算获得IGBT模块的热应力； (6)根据模块热应力， 计算获得IGBT模块的累积损伤模型和寿命预测模型。 2.根据权利要求1所述的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方 法， 其特征在于， 所述的功率损耗模型为： Ploss＝Pcon+Psw 式中， Ploss为芯片总功率损耗， Pcon为芯片通态损耗， Psw为芯片开关损耗， Ic为模块负载 电流， Tj为芯片结温， Vce0_22℃为使用手册中室温22℃的门槛压降， KV_T为电压温度系数， rce_22℃为使用手册中室温22℃下的导通电阻， Kr_T为电阻温度系数， fsw为IGBT固定开关频 率， Asw和Bsw为使用手册中的待定系数， Vdc为模块直 流电压， Vdc_ref为模块参 考电压， 为模 块经验参数， 取值范围为1.3～1.4， Rg为模块栅极电阻， Rg_ref为模块参考电阻， 为模块经 验参数， 取值 为0.8， Tj_ref为IGBT参考结温， 为模块经验参数， 取值 为0.003。 3.根据权利要求1所述的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方 法， 其特征在于， 对基于功率损耗模型和有限元仿真计算获得的芯片 结温Tj2和初步结温Tj1 进行比较， 若二者不相等， 将Tj2代入功率损耗模型， 重新迭代计算功率损耗及芯片结温， 直 至二者相等。 4.根据权利要求1所述的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方 法， 其特征在于， 芯片结温Tj由有限元 方法计算获得， 且表示 为芯片表面 最高温度； 5.根据权利要求1所述的一种IGBT基于功率损耗数学模型及有限元仿真的寿命预测方 法， 其特征在于， 将所述热应力模型导入nCode  Designlife软件中计算获得疲劳寿命。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115081268 A 2一种基于功率 损耗数学模型及有限元方 法的IGBT模块寿命 预 测方法 技术领域 [0001]本发明属于功率电子元器件可靠性试验技术领域， 具体涉及一种融合了功率损耗 数学模型和有限元仿真的IGBT模块结温预测 和寿命评估方法。 背景技术 [0002]绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为全控型电力电子器件， 兼具功率场效应晶体管 (MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)的优点。 它 作为电能变换装置的核心部件， 具有开关速度 快、 开关损耗小、 耐受脉冲电流能力强、 通态压降低、 驱动功 率小等特点， 因此广泛应用于航 空航天、 电磁发射、 海上运输、 轨道交通 等领域， 具有不可替代的地 位和作用。 [0003]在轨道交通领域， IGBT主要是作为牵引变流器的核心半导体器件， 起维持牵引变 流器复杂工况稳定的作用。 与其他工业用IGBT相比， 轨道交通用的IGBT模块主要为3300V、 4500V和6000V的高压大功率器件。 兼之轨道列车的特殊工作环境， IGBT模块长期处于环境 温度变化大， 电流变化快， 持续受到轨道传递的振动与冲击载荷的复杂工况下， 使 得模块在 承受不均衡的电热应力的同时， 受到机械应力的影响， 进一步加剧了IGB T模块的失效。 相关 研究人员表示， 服役于铁路牵引系统的IGBT模块的失效寿命应该至少为30年， 失效率不能 超过100FIT(1FIT＝109h‑1)[4]。 并且IGBT器件的发展趋势是功率密度更大、 开关频率更高、 体积更小。 这一趋势将对IGBT器件可靠性有了更高的要求， 使得电能变换装置可靠性和 IGBT模块 疲劳失效的矛盾日益 突出。 因此， 对IGBT 模块进行寿 命预测是很有必要的。 [0004]针对IGBT模块的有限元分析能准确计算模块温度分布， 进而能获得IGBT模块精确 的热应力分布。 将利用有限元方法计算的热应力导入nCode  Designlife软件中， 进而获得 IGBT模块的累积损伤模 型和寿命预测模 型。 有效解决了传统采用实验法获得IGB T模块寿命 预测模型以及对人力物力要求较高的弊端。 [0005]对比文件： [0006][1]王航,王富.一种IGBT模块工作结温在线检测系统及方法[P].安徽省： CN110108999B,2021‑10‑22. [0007][2]黄洪钟,黄思思,彭卫文,李彦锋,郭来小,黄承赓,郭骏宇.一种IGBT基于故障 物理及有限元仿真的筛 选剖面验证方法[ P].四川省： CN108287976B,2020 ‑10‑27. [0008][3]刘宾礼,罗毅飞,肖飞,黄永乐,王瑞田,熊又星.IGBT多时间尺度结温预测模型 建模方法[ P].湖北省： CN109 918700A,2019‑06‑21. [0009][4]何怡刚,李猎,何鎏璐,王晨苑,熊元新,王枭.基于复合失效模式耦合的IGBT寿 命预测方法及系统[ P].湖北省： CN1 13239653A,2021‑08‑10. [0010][5]朱国荣,曾定军,戚明轩,祁尔 杰,黄云辉,罗冰洋.基于寿命模型参数波动的精 确评估IGBT可靠性的方法[ P].湖北省： CN107818207B,2021 ‑01‑19. [0011][6]李玲玲,齐福东,李志刚,刘伯颖,罗泽峰,张丝嘉.一种IGBT模块状态评估与剩 余寿命预测模型的构建方法[ P].天津市： CN10918 8232A,2019‑01‑11.说　明　书 1/6 页 3 CN 115081268 A 3