淺談DIPIP的健康管理

講座導(dǎo)語(yǔ)

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡(jiǎn)稱(chēng)，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場(chǎng)，迄今已在家電、工業(yè)和汽車(chē)空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPM的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

3.6DIPIPM的健康管理

3.6.1DIPIPM的功率循環(huán)壽命

通過(guò)前面的DIPIPM應(yīng)用系列講座，我們了解了DIPIPM工作原理?內(nèi)部結(jié)構(gòu)?選型原則?驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)?PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)及應(yīng)用評(píng)價(jià)方法等，所有這些內(nèi)容目的都是為了讓DIPIPM在實(shí)際應(yīng)用裝置中長(zhǎng)期健康地工作，如果我們的設(shè)計(jì)足夠優(yōu)秀，沒(méi)有任何瑕疵，是否意味著DIPIPM可以一直工作呢？如果存在壽命，那么壽命怎么來(lái)計(jì)算呢？帶著這些問(wèn)題，小編采訪了三菱電機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)家（大師，叫大師），希望能夠就DIPIPM健康管理方面給大家?guī)?lái)一些啟發(fā)。

為什么要對(duì)DIPIPM進(jìn)行健康管理，健康管理包含哪些內(nèi)容？

叫算命是不是太膚淺了？

功率半導(dǎo)體生命的盡頭是什么？

唯炸雞和啤酒不可辜負(fù)也。

DIPIPM的一生是勤勞的一生。他從三菱電機(jī)的工廠誕生就開(kāi)始為人們的美好生活而努力奮斗?；蚬?jié)能減排，或提升效率。與此同時(shí)還要承受過(guò)壓?過(guò)流?噪聲?浪涌的各種沖擊。如果他能熬過(guò)所有的這一切，最終迎接它的是熱疲勞損壞。

一般情況下，功率半導(dǎo)體的熱疲勞損壞分為功率循環(huán)壽命損壞和熱循環(huán)壽命損壞。其本質(zhì)是功率半導(dǎo)體模塊的各層材料在溫度變化時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生熱膨脹梯度不同，進(jìn)而產(chǎn)生連接老化開(kāi)裂的現(xiàn)象。

圖1為普通半導(dǎo)體模塊的剖面構(gòu)造圖。其中紅色標(biāo)注的部分為影響模塊壽命的連接點(diǎn)。結(jié)合表1中的各種材料熱膨脹系數(shù)。我們可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論是功率循環(huán)壽命還是熱循環(huán)壽命，損壞點(diǎn)上下兩層材料的熱膨脹系數(shù)都是相差非常大的。

圖1 普通功率半導(dǎo)體剖面構(gòu)造圖

表1 不同材料的熱膨脹梯度

那么，DIPIPM是普通功率半導(dǎo)體模塊么？

當(dāng)然不是！

自從2007年的第4代DIPIPM開(kāi)始，三菱電機(jī)就開(kāi)始采用絕緣導(dǎo)熱墊片作為絕緣散熱材料，就像圖2這樣。絕緣導(dǎo)熱墊片本身是一層軟性的樹(shù)脂材料，它在高溫高壓下和上下兩層銅箔“粘合”在一起形成一個(gè)整體。這種結(jié)構(gòu)使得DIPIPM在傳統(tǒng)意義下的熱循環(huán)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于功率循環(huán)壽命。所以在DIPIPM的循環(huán)壽命評(píng)估中只需要考慮功率循環(huán)壽命。

圖2 DIPIPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

功率循環(huán)壽命到期了會(huì)怎么樣？

會(huì)裂開(kāi)

圖3是功率半導(dǎo)體在運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)關(guān)鍵溫度的變化示意圖。一般情況下，我們比較關(guān)心的是器件的結(jié)溫(Tj)和殼溫(Tc)。嗯，DIPIPM也包含在內(nèi)。

圖3 功率半導(dǎo)體中的溫度變化

該示意圖中包含了兩種運(yùn)行模式。

1．殼溫(Tc)變化很小，但結(jié)溫(Tj)變化頻繁。此工作模式下的壽命稱(chēng)為功率循環(huán)壽命，對(duì)應(yīng)的損壞稱(chēng)為功率循環(huán)壽命損壞，它對(duì)應(yīng)的是結(jié)溫的變化(ΔTj)。

2．電力電子系統(tǒng)從起動(dòng)到停止的過(guò)程中，功率半導(dǎo)體模塊的殼溫(Tc)會(huì)發(fā)生比較穩(wěn)定的大幅度變化。此工作模式下的壽命稱(chēng)為熱循環(huán)壽命，對(duì)應(yīng)的損壞稱(chēng)為熱循環(huán)壽命損壞，它對(duì)應(yīng)的是殼溫的變化(ΔTc)。對(duì)于DIPIPM而言，殼溫變化依然存在，但是并不會(huì)發(fā)生熱循環(huán)壽命損壞。是不是很厲害？覺(jué)得厲害的扣1

圖4 功率循環(huán)壽命試驗(yàn)導(dǎo)致綁定線接合部開(kāi)裂

如果一顆DIPIPM能有幸熬過(guò)了所有的過(guò)壓/過(guò)流/過(guò)熱之后，就會(huì)像圖4那樣綁定線接合部開(kāi)裂而壽終正寢。

為了描述這種模式下的循環(huán)壽命，功率半導(dǎo)體廠家會(huì)提供根據(jù)不同Al綁定線鍵合工藝給出不同的功率循環(huán)壽命曲線。就像圖5這樣。

圖5 DIPIPM的功率循環(huán)壽命曲線

這條壽命曲線是怎么來(lái)的呢？

熬夜熬出來(lái)的！

這條壽命曲線是基于Tjmax=125℃、故障率1%的測(cè)試條件，將ΔTj=46/88/98℃下的測(cè)試數(shù)據(jù)連線并延長(zhǎng)后得到的衰減曲線。0.1%和10%的曲線是通過(guò)韋伯分布(Weibull distribution)計(jì)算出來(lái)的。

特別是ΔTj=46℃的條件。溫差小，循環(huán)次數(shù)多。整個(gè)功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)可能會(huì)持續(xù)非常長(zhǎng)的時(shí)間。說(shuō)是熬夜熬出來(lái)的也不算太過(guò)分。

那么這條壽命曲線應(yīng)該怎么理解呢？

敲黑板，這是重點(diǎn)。

還是以圖5為例，如果我們有10000臺(tái)設(shè)備都是用了三菱的DIPIPM。單次運(yùn)行溫差ΔTj為70℃，那么：

a.完成20000個(gè)周期后，DIPIPM的故障率約為0.1%

b.完成30000個(gè)周期后，DIPIPM故障率約為1%

c.完成50000個(gè)周期后，DIPIPM故障率約為10%

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，器件的損壞越來(lái)越多。這既符合我們的生活常識(shí)，也很符合描述半導(dǎo)體損壞率的浴缸曲線。如圖6 E-F段所示。

圖6 半導(dǎo)體器件損壞率曲線

另外一個(gè)需要提到的點(diǎn)是這樣的。雖然這條壽命曲線一直向上延伸直到ΔTj<30K，甚至可以繼續(xù)向上延伸到ΔTj=10K。但是在實(shí)際應(yīng)用中，我們傾向于使用ΔTj>20K的部分。主要有兩個(gè)原因：

1．經(jīng)驗(yàn)表明，在小ΔTj的情況，器件的實(shí)際能力比曲線要高得多。

2．過(guò)小的ΔTj會(huì)導(dǎo)致計(jì)算困難。例如在圖7中，如果ΔTj2過(guò)小，我們會(huì)重點(diǎn)分析ΔTj1而忽略ΔTj2。因?yàn)槲覀兒茈y知道單次運(yùn)行中類(lèi)似的小波動(dòng)出現(xiàn)了多少次，也很難知道在整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行周期里，這樣的小波動(dòng)會(huì)出現(xiàn)多少次。

圖7 運(yùn)行中的ΔTj選擇

3.6.2

電梯門(mén)機(jī)應(yīng)用中DIPIPM的健康管理

能不能舉個(gè)栗子演示一下怎么用這個(gè)功率循環(huán)曲線？

當(dāng)然可以，比如電梯門(mén)機(jī)。

為什么要用電梯門(mén)機(jī)來(lái)解釋這個(gè)功率循環(huán)曲線呢？因?yàn)殡娞蓍T(mén)機(jī)是一個(gè)工況固定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。也是少數(shù)幾個(gè)能在實(shí)驗(yàn)室里能對(duì)主要工況進(jìn)行完全模擬的工業(yè)應(yīng)用。

先解釋一下，電梯門(mén)的結(jié)構(gòu)。一般說(shuō)的電梯門(mén)其實(shí)是分為兩道門(mén)，廳門(mén)和轎門(mén)。其中廳門(mén)沒(méi)有動(dòng)力，開(kāi)門(mén)的動(dòng)力來(lái)自轎門(mén)上門(mén)機(jī)變頻器。門(mén)機(jī)變頻器控制電機(jī)，再通過(guò)鋼絲繩連接到轎門(mén)和門(mén)刀上。而廳門(mén)則由門(mén)刀傳遞動(dòng)力進(jìn)行開(kāi)門(mén)。圖8是電梯門(mén)機(jī)的局部圖。圖中可以看到鋼絲繩，門(mén)刀和轎門(mén)。

對(duì)于門(mén)機(jī)變頻器而言，其主要有3種工作狀態(tài)。

1. 控制門(mén)板進(jìn)行正常開(kāi)關(guān)門(mén)。這里要順帶說(shuō)一下電梯門(mén)機(jī)是怎么檢測(cè)夾人的。轎門(mén)和廳門(mén)上會(huì)有多種結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)擋門(mén)的動(dòng)作，比如活動(dòng)擋板或者紅外線感應(yīng)收發(fā)器等。如果有人擋門(mén)，上述傳感器會(huì)動(dòng)作并告知門(mén)機(jī)變頻器。門(mén)機(jī)變頻器會(huì)立馬從關(guān)門(mén)狀態(tài)轉(zhuǎn)為開(kāi)門(mén)狀態(tài)，以保證乘客的安全。這樣的一個(gè)循環(huán)仍然會(huì)被視為一次正常的開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程，原因是在這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有因?yàn)槎罗D(zhuǎn)而加大電流。

2. 如果上述傳感器沒(méi)有信號(hào)，但是門(mén)機(jī)變頻器通過(guò)編碼器發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)不動(dòng)。它會(huì)嘗試增加電流加大關(guān)門(mén)力度。如果還不行則放棄關(guān)門(mén)。這個(gè)過(guò)程中電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，需要特別重視。

3. 電梯門(mén)關(guān)門(mén)到位以后，門(mén)機(jī)變頻器會(huì)給門(mén)提供一個(gè)比較小的力，確保門(mén)板處于關(guān)閉狀態(tài)。這時(shí)候電機(jī)也是處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是電流遠(yuǎn)小于上述第二種工況。而且也存在ΔTj過(guò)小導(dǎo)致計(jì)算困難問(wèn)題。所以一般情況下就不考慮了。

接下來(lái)我們來(lái)看一個(gè)實(shí)際的案例。所用功率器件為SLIMDIP-S。感謝中國(guó)計(jì)量大學(xué)校友提供仿真條件。

工況1(正常開(kāi)關(guān)門(mén))：Vcc=300V, Ic(rated)=1.2Arms, fc=10kHz, fo=50Hz, PF=0.99, M=1, Ts(max)=90℃。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 電梯門(mén)機(jī)正常運(yùn)行仿真

可見(jiàn)在單次運(yùn)行中，IGBT的平均結(jié)溫可以達(dá)到107.33℃。對(duì)應(yīng)的ΔTj為6.2℃。根據(jù)功率循環(huán)曲線，對(duì)應(yīng)壽命已經(jīng)遠(yuǎn)超10M次0.1%損壞率。

那這個(gè)循環(huán)次數(shù)是否能滿足電梯開(kāi)關(guān)門(mén)的需要呢？答案是可以的。

假設(shè)電梯門(mén)一分鐘開(kāi)1次/關(guān)1次，每日工作12小時(shí)，全年工作365天，工作10年。對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為：10年x365天/年x12小時(shí)/天x 60分鐘/小時(shí)x 4次/分鐘=10.4M次

工況2(關(guān)門(mén)堵轉(zhuǎn))：Vcc=300V, Io=2.4Arms, fc=10kHz, fo=50Hz, PF=0.99, M=0.1, Ts(max)=90℃

工況3(關(guān)門(mén)保持)：Vcc=300V, Io=1.2Apeak, fc=10kHz, fo=50Hz, PF=0.99, M=0.1, Ts(max)=90℃

仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 電梯門(mén)機(jī)關(guān)門(mén)堵轉(zhuǎn)和關(guān)門(mén)保持仿真

需要說(shuō)明的是關(guān)門(mén)堵轉(zhuǎn)的工況并不會(huì)每次關(guān)門(mén)都出現(xiàn)，只是屬于意外情況。所以一般只要求器件能夠承受單次運(yùn)行導(dǎo)致的沖擊即可。對(duì)于SLIMDIP-S來(lái)說(shuō)，其最大結(jié)溫為150℃，關(guān)門(mén)堵轉(zhuǎn)的125.5℃可以輕松承受。

好吧，現(xiàn)在的電梯門(mén)機(jī)系統(tǒng)，主流使用的器件是10-15A的DIPIPM。但是事實(shí)上5A的器件也已經(jīng)可以提供充足的余量了。有興趣的可以找我聊聊。

關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財(cái)富》世界500強(qiáng)排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營(yíng)收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機(jī)從事開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有60余年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車(chē)、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無(wú)線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅