2023絕緣柵雙極晶體管（IGBT）健康評估及壽命預(yù)測方法

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）健康評估及壽命預(yù)測方法目 次前 言 II范圍 1規(guī)范性引用文件 1術(shù)語和定義 1IGBT的檢測指標(biāo)參數(shù) 2IGBT的狀態(tài)評估及剩余壽命預(yù)測技術(shù)實施路線 3IGBT失效模式及敏感參數(shù)分析 3敏感參數(shù)采集獲取 5IGBT健康評估及壽命預(yù)測方法 5IPAGEPAGE1PAGEPAGE2絕緣柵雙極晶體管（IGBT）健康評估及壽命預(yù)測方法范圍本文件規(guī)定了IGBT的健康狀態(tài)征兆參數(shù)、狀態(tài)評估及壽命預(yù)測方法等。本文件適用于對絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的健康狀態(tài)評估、壽命預(yù)測管理等。規(guī)范性引用文件（包括所有的修改單適用于本文件。GB/T29332-2012 9部分：絕緣柵雙極晶體管(IGBT)IEC60747-9:2019《半導(dǎo)體器件第9部分：分立器件絕緣柵雙極晶體管（IGBTs）》T.CES084-2021柔性直流輸電用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊應(yīng)用可靠性試驗規(guī)范術(shù)語和定義GB/T22393-2008、GB/T20921-2007、GB/T21205-2007、GBT23713.1-2009中確立的以及下列術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。絕緣柵雙極型晶體管IGBTIGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS結(jié)構(gòu)雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。3.2可靠性Reliability在一定時間內(nèi)、在一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性。3.3剩余有效壽命RemainingUsefullifetime是指系統(tǒng)的部件或子系統(tǒng)從當(dāng)前時刻到發(fā)生潛在故障的預(yù)計持續(xù)正常工作時間。3.4狀態(tài)監(jiān)測ConditionMonitoring采用有效的檢測手段和分析診斷技術(shù)，及時、準(zhǔn)確的掌握設(shè)備運行狀態(tài)，保證設(shè)備的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運行。3.5壽命預(yù)測lifePrediction是指對服役系統(tǒng)或元器件剩余壽命的定量評價。3.6加速壽命試驗Acceleratedlifetest3.7健康征兆參數(shù)Healthprecusorparameters是指設(shè)備或零部件發(fā)生故障之前所表現(xiàn)出來的各種變化的征兆數(shù)據(jù)。3.8故障預(yù)測與健康管理PrognosticsandHealthmanagement它強調(diào)資產(chǎn)設(shè)備管理中的狀態(tài)感知，監(jiān)控設(shè)備健康狀況、故障頻發(fā)區(qū)域與周期，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，預(yù)測故障的發(fā)生，從而大幅度提高運維效率。3.9故障模式、影響及危害性分析FMECA3.10失效物理PoF是指在已知電子產(chǎn)品物理失效模型的基礎(chǔ)上,利用產(chǎn)品的生命周期載荷和失效機(jī)理知識來評估產(chǎn)品的可靠性。3.11剩余使用壽命RUL主要指系統(tǒng)或元器件運行一段時間后，剩余的使用壽命。IGBT的檢測指標(biāo)參數(shù)集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE(sat)在集電極電流與柵極-發(fā)射極電壓基本無關(guān)的柵極-發(fā)射極電壓條件下的集電極-發(fā)射極電壓。穩(wěn)態(tài)熱阻Rthj-cIGBT模塊結(jié)到殼的穩(wěn)態(tài)熱阻Rthj-c的變化來表征焊料層老化。門極開通閾值電壓VGEthVGEthIGBTIcVGEth關(guān)斷時間toff隨著IGBT模塊的老化，關(guān)斷時間一般會逐漸增大?；趥鞲衅鳒y量并聯(lián)電阻壓降當(dāng)器件引線脫落后可監(jiān)測到并聯(lián)電阻兩端的電壓降發(fā)生變化觸發(fā)輔助監(jiān)測電路發(fā)出預(yù)警。基于模塊外部波形諧波集電極發(fā)射極導(dǎo)通壓降Vce(on)發(fā)射極和集電極在器件導(dǎo)通時的電壓值，一般會隨器件老化進(jìn)程逐漸增大。集電極發(fā)射極導(dǎo)通電流Ice(on)發(fā)射極和集電極在器件導(dǎo)通時的電流值，一般也隨著器件老化逐漸增大。IGBT的狀態(tài)評估及剩余壽命預(yù)測技術(shù)實施路線1IGBTRULRULIGBTRUL預(yù)測。圖1IGBT的狀態(tài)評估及RUL預(yù)測流程圖IGBT失效模式及敏感參數(shù)分析IGBT失效模式分析IGBT的故障模式可以簡單的劃分為：突變失效（瞬變故障）和老化失效（緩變故障）。突變失效2；緩變故障即發(fā)生老化損傷、參數(shù)漂移等。IGBT參數(shù)漂移的發(fā)圖2 IGBT模塊突變失效IGBTIGBT的緩變FMMEA（PoF）或數(shù)據(jù)驅(qū)IGBT完成退化狀態(tài)評估與剩余壽命預(yù)測。IGBT敏感參數(shù)分析IGBT3。圖3IGBT失效模式機(jī)理及敏感參數(shù)分析目前對于IGBT失效標(biāo)準(zhǔn)的定義各有不同，而最通用的IGBT失效標(biāo)準(zhǔn)定義如表1。表1 敏感參數(shù)的失效標(biāo)準(zhǔn)敏感參數(shù)符號失效閾值百分比-集電極飽和壓降VCE5%-20%門極-發(fā)射極閾值電壓VGE(th)20%集電極電流Ion20%結(jié)溫Tj20%門極飽和電流IG(sat)20%熱阻抗Zth20%敏感參數(shù)采集獲取IEC60747-9:2019進(jìn)行測量。IGBT健康評估及壽命預(yù)測方法IGBT健康狀態(tài)評估方法IGBT的健康狀態(tài)分為健康、亞健康、退化、嚴(yán)重退化及故障等五種，其功能描述及判別指標(biāo)見表2。針對表2規(guī)定的健康狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)，只要任一健康特征因子退化超過規(guī)定的閾值范圍，則認(rèn)為該IGBT達(dá)到了某一種故障狀態(tài)，而在未達(dá)到失效閾值范圍時，可以將其健康狀態(tài)劃分如下：表2IGBT健康狀態(tài)功能描述及判斷標(biāo)準(zhǔn)健康狀態(tài)功能描述判別指標(biāo)健康關(guān)鍵部件性能優(yōu)良，運行狀態(tài)很好健康征兆參數(shù)處于失效閾值的0%-25%亞健康關(guān)鍵部件性能良好，運行狀態(tài)良好健康征兆參數(shù)處于失效閾值的25%-50%退化關(guān)鍵部件性能基本合格，運行狀態(tài)一般健康征兆參數(shù)處于失效閾值的50%-75%嚴(yán)重退化關(guān)鍵部件性能不合格，運行異常健康征兆參數(shù)處于失效閾值的75%-100%故障關(guān)鍵部件性能差，不能運行健康征兆參數(shù)超出失效閾值的100%以上IGBT剩余壽命預(yù)測模型基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測是一個數(shù)據(jù)采集、特征提取、趨勢預(yù)測、故障識別的過程?；跀?shù)據(jù)驅(qū)圖4基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的IGBT故障預(yù)測