IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置 的“CPU”。在新能源汽车中，IGBT直接掌握驱动系统直、交 流电的转换，决定了车辆的扭矩和最大输出功率等，是汽车 动力总成系统的“心脏”。在新能源汽车中大量利用了IGBT 功率器件，例如：电控、OBC、空调系统及充电桩等，如图1 所示。据统计，IGBT等功率器件占到整车本钱的7%～10%。
在电机掌握器中，IGBT将动力电池的高压直流电转换 为驱动三相电机的互换电，为电机供应动力。在汽车运行 过程中，启停、频繁加减速等会使IGBT模块功率发生变革， IGBT结温也会随之不断循环变革，温度变革产生的热应力 会使模块内部焊层之间产生蠕变热疲倦或失落效。因此，IG－BT模块的结温变革是影响其事情寿命与可靠性的紧张成分。本文采取热敏感电参数法提取IGBT结温，并结合CLTC等试 验工况得出对应结温曲线，通过雨流剖析、Miner线性累积 损伤准则等剖析和评估整车寿命周期内IGBT模块的热疲倦 寿命，提出在总成级试验中进行IGBT加速试验的可行性方案。
1 IGBT概述
1.1 什么是IGBT？
IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型 晶体管） 是由双极结型晶体管 （BJT） 和金属-氧化物-半导 体场效应晶体管 （MOSFET） 复合而成的构造，如图2所示。
它结合了两者的优点，具有输入阻抗高、功耗小、热稳定 性好、驱动大略、载流密度大、通态压降落等上风。
1.2 IGBT的构造
IGBT由芯片、覆 铜陶瓷衬底、基板、 散热器等通过焊接而 成，如图3所示。
1.3 IGBT的热特性
热特性是IGBT功 率器件的灵魂。芯片 事情产生的热量通过 不同的介质、界面传 递到散热器，将热量 散出，通报路径的热阻用Rthjc来表示，如图4所示。
IGBT模块的发热紧张来源于功率损耗。功率损耗包括 IGBT损耗和FWD损耗，其又分为开关损耗和导通损耗，如 图5所示。功率损耗与电流Ic、饱和压降Vce、开关频率等多 成分有关。
2 IGBT可靠性哀求
2.1 IGBT模块可靠性哀求
对付车规级IGBT模块，由于利用环境严厉，工况繁芜， 寿命哀求高，因此对IGBT模块性能和可靠性提出了越来越 高的哀求，如图6所示。
2.2 电控总成可靠性试验现状
据统计，IGBT破坏引起的故障占电控售后问题的首位， 是电控总成的短板。根据“木桶”事理，办理IGBT失落效问 题对付降落电控总成失落效率非常主要。但是，目前电控总 成可靠性试验紧张参考707企标，没有考虑功率器件产品自 身发热引起的温度变革，也没有考虑冷却液循环带来的温 度稳定，比较适用于低压电气产品可靠性试验，对功率器 件产品不适用。如何在电控总成试验中加速IGBT的老化磨 损将是我们须要重点研究的课题。电控问题统计柏拉图如 图7所示。
2.3 IGBT模块可靠性试验
对付车规级IGBT模块，AQG 324、QC/T 1136等标准对 可靠性均有干系哀求。以QC/T 1136为例，IGBT模块可靠性 包括芯片可靠性和封装可靠性，如表1所示。
2.3.1 功率循环试验 （主动）
1） 功率循环试验 (PCsec/PCmin)：考验绑定线与芯片的 连接点可靠性以及芯片与DCB焊接层的可靠性。功率循环试 验 （PCsec） 曲线如图8所示。
2） 功率循环 (PCmin)：考验绑定线与芯片的连接点可靠性，芯片与DCB焊接层的可靠性以及DCB与Baseplate焊接 层的可靠性。
2.3.2 温度循环/冲击试验 （被动）
温度循环 (TC)：从Baseplate底部缓慢加热全体封装，检 验具有不同热膨胀系数的材料之间连接的可靠性。热膨胀 系数如图9所示。
2.4 IGBT模块失落效模式
IGBT模块失落效紧张分为机器失落效和电气失落效，个中机 械失落效包括绑定线、焊接层及封装/端子的老化所造成的使 用寿命闭幕，其紧张是由功率循环产生结温变革引起。此 外，还包括过压、过流、其它成分 （如景象变革、化学腐 蚀） 所造成的失落效，如图10所示。
IGBT失落效同样适用可靠性“浴盆”曲线，在不同阶段 呈现不同表现形式，如图11所示。本文重点研究消耗失落效中由于热机器应力导致的IGBT 失落效，而这一部分正是IGBT耐久失落效的紧张缘故原由。IGBT耗 丢失效如图12所示。
3 IGBT利用寿命剖析与评估
3.1 研究思路
根据IGBT失落效模式可知，结温变革是影响其利用寿命的紧张成分。评估IGBT的利用寿命就须要首先得到其在用 户工况下的结温曲线，然后结合IGBT功率循环寿命曲线， 运用累积损伤理论评估IGBT的利用寿命，详细剖析步骤如 图13所示。这个中紧张关键点及难点如下所述。
1） 用户代表工况选取，目前采取NEDC或者CLTC工况。
2） 工况中结温丈量和结温曲线的获取，实车中很难通 过支配传感器的方案来直接获取结温曲线。目前有两种可 行方法：一种是通过打算功率损耗，结合热仿真模型得到；另一种是通过间接的热敏感电参数法获取相应的结温曲线， 详见3.3.2剖析。
3） 温度分布：采取雨流法剖析。
4） IGBT寿命曲线，一样平常由IGBT模块厂家供应。
5） 寿命评估，利用温度分布数据和IGBT寿命曲线结合 损伤理论进行寿命评估。
3.2 IGBT结温测试的几种方法
3.2.1 物理打仗丈量法
把热敏电阻或热电偶等测温元器件焊接于IGBT内部， 从而获取模块内部基板的温度。测试方便但存在较大丈量 偏差，如图14所示。
3.2.2 光学非打仗丈量法
先将IGBT模块打开， 撤除透明硅脂，然后将IG－ BT芯片表面涂黑，以提高 温度丈量准确性，末了通 过热像仪等采取红外热成像 方法测试结温。属于毁坏性 丈量方法，如图15所示。3.2.3 热敏感电参数法 利用半导体功率器件内部微不雅观物理参数与器件温度具 有逐一对应的映射关系，将芯片本身作为温度传感部件， 将其自身难测的内部温度信息反响在模块外部易测的电气 旗子暗记上，对芯片结温进行逆向提取，如图16所示。
3.3 试验方案
3.3.1 任务曲线建立
为了担保IGBT模块利用寿命的可比性，常日采取标准 的驾驶循环作为基本工况。海内一样平常采取NEDC （New Eu－ ropean Driving Cycle，新标欧洲循环测试） 或CLTC （China Light-duty Vehicle Test Cycle，中国轻型汽车行驶工况） 作 为基本工况。以CLTC工况为例，采集电机掌握器在此工况 下的电压电流值，如图17所示。
3.3.2 结温曲线
本文采取热敏感电参数法反推得到IGBT模块在CLTC工 况下的结温曲线。
1） 温度系数 （K-factor） 测试
参考JESD51-1 《集成电路热测试方法》 测试K系数。测 试步骤如下：设定好温度环境TL0，当器件外壳温度稳定时 给IGBT模块施加小电流 （10mA） 记录集电极和发射极间压 降大小VL0，然后将环境温度升高到THi，按上述哀求记录此 时压降。两次温度值的差值除以电压差值即为K系数。
通过Power Tester 1800A功率循环测试仪测试K系数 （图18），结果如下：K-Factor：-2.694mV/℃。
2） 瞬态热测试 （负载）
测试事理图如图19所示。根据任务曲线得到的负载电 流，基于能量守恒，采取MATLAB软件将电流谱处理成300 个恒定电流值便于实际加载测试。测试方法如下：①在IG－ BT Gate上加上15V电压，使Gate完备打开，在CE之间用大 电流加热，使之达到热平衡；②在器件达到热平衡之后， 瞬间从大电流切换到小电流 （10mA），丈量压降Vce；③测试 结果如图20所示，根据K系数中结温与Vce的之间的关系，得 出CLTC工况下的结温曲线，如图21所示。
3.3.3 温度分布 （ΔT）
Ncode雨流剖析流程如图22所示。为了将任务曲线引起 的结温变革与功率循环寿命曲线进行比较，采取雨流计 数法统计不同结温变革ΔT涌现的频次。温度分布ΔT如图 23所示。
3.3.4 功率循环寿命曲线
研究创造当温度变革过程中的最高结温小于120℃时， 可以利用Coffin-Manson模型进行预测，该模型被广泛用于描 述半导体模块PC过程的失落效规律。后经Arrhenuis改动，将 均匀结温Tjm纳入考察范围，得到LESIT模型：
随着封装技能的改进，IGBT模块的寿命有了很大提高。焊 料层疲倦成为与键合线同等主要的失落效机制。2008年Bayerer 考虑到功率循环试验中温度颠簸范围、最大结温Tjmax、模块 键合线直径D、直流端电流i、阻断电压V等成分都会对器件 寿命造成影响，得到了CIPS多参数模型：
通过功率循环试验确定模型参数，绘制如图24所示的 功率循环寿命曲线。
3.3.5 IGBT寿命评估
根据温度分布ΔT，并参考功率循环寿命曲线，将一个 驾驶循环中所有ΔT下的损伤相对其涌现的频次加权求和， 可得到一个驾驶循环下的累积损伤。该累积损伤的倒数即 是功率模块的利用寿命，即：
式中：ni ———在一个驾驶循环中，ΔTj涌现的次数；Ni ———在功率循环寿命曲线中，ΔTj对应的循环次数；Nf ——— 功率模块利用寿命。
常日整车的利用寿命是30万公里，一个CLTC的行驶里 程大约是14.48km，则整车至少须要运行20718个CLTC才满 足寿命哀求，通过打算Nf =13973605，远大于20718，知足整 车的利用寿命哀求。
4 电控总成IGBT加速试验
既然IGBT失落效占电控总成失落效的绝大多数，那么电控总 成试验中IGBT的考察是否足够？如何进行IGBT加速试验呢？
通过上述剖析可知，IGBT模块的结温变革是影响其工 作寿命与可靠性的紧张成分。因此在总成试验中，结温变 化的幅度和频次将直接影响其利用寿命。以冷热冲击试验 为代表的被动“功率循环试验”将是一个很好的试验方案。
由于该试验事情模式1.1，属于被动加热引起的结温变 化，个中ΔT=125℃、N0=215次，远低于行标哀求。根据IG－ BT热循环寿命曲线 （图25），当ΔT=125℃时寿命循环数N1约 3000次，故冷热冲击试验考察仅占全寿命周期的7.2%，属 于考察偏弱，可适当增加循环数或加大温度变革范围，如 表2所示。
此外，通过剖析NEDC或CLTC等驾驶工况可知，主动 “功率循环”产生的结温变革频次较多，但幅度偏小。以 CLTC工况为例，根据3.3.3雨流剖析结果可知ΔTmax=25℃，根 据IGBT寿命曲线则须要至少107循环数。在兼顾其它部件的 考察根本上合理改动工况，如增加启停或急加/减速工况也 是一种可行的加速试验方案。
5 总结
本文通过先容IGBT模块的构造、失落效模式等解释热疲 劳是影响IGBT利用寿命的紧张成分。并基于此建立了IGBT 利用寿命评估方法，将整车设计寿命与IGBT利用寿命结合 起来，从而能够从行驶里程的角度快速评估IGBT功率模块 是否能够知足整车利用寿命的哀求。此外，针对电控总成 的试验现状，提出在总成级试验中进行IGBT加速试验的可行性。对付主动“功率循环”试验，如何优化试验工况， 提升ΔTmax进行加速试验还须要进一步研究。当前以SiC和 GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料开始逐渐运用在新能 源汽车上，其可靠性也将是我们后续关注的方向。
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