【導(dǎo)讀】功率模塊是大功率電力電子系統(tǒng)的核心部件。因此，它們的壽命對(duì)最終產(chǎn)品的可靠性有重要影響。為了了解真實(shí)的工況如何影響功率模塊，必須進(jìn)行復(fù)雜的模擬仿真，由于工況文件冗長(zhǎng)且復(fù)雜多變, 往往將仿真工具和方法推到極限。出于這個(gè)原因，在仿真方法和半導(dǎo)體特性方面需要高水平的專業(yè)知識(shí)。了解功率模塊在實(shí)際使用情況下的行為對(duì)選擇正確的功率模塊，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)成本、可靠性和優(yōu)化均有積極的影響。
功率模塊的壽命就是功率系統(tǒng)的壽命
一個(gè)大功率系統(tǒng)是由幾個(gè)部件組成的，如：電容、電感、傳感器、控制板、驅(qū)動(dòng)單元，當(dāng)然還有功率模塊。所有這些都有一個(gè)有限的使用壽命，當(dāng)它們不能很好地滿足應(yīng)用時(shí)，就會(huì)成為故障的來源。出于這個(gè)原因，在選擇組件之前，了解它們?cè)谔囟üぷ鳁l件下的行為是非常重要的。
功率模塊也不例外，它們的壽命與它們的工況是緊密相連。因此，為了估計(jì)它們的壽命，有必要在實(shí)際條件下計(jì)算變換器運(yùn)行期間的循環(huán)負(fù)荷。使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和長(zhǎng)期運(yùn)行的系統(tǒng)來估計(jì)功率模塊的壽命是可能的。然而，這種解決方案需要硬件實(shí)現(xiàn)和長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試。這就是為什么使用仿真工具這一不同方法，幫助用戶加速和簡(jiǎn)化壽命計(jì)算。
為了簡(jiǎn)化工業(yè)制造商設(shè)計(jì)過程中的這一步驟，英飛凌功率仿真平臺(tái)（IPOSIM）提供了自動(dòng)壽命估算這一全新的高級(jí)功能。現(xiàn)在，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)他們的應(yīng)用要求，以數(shù)字方式估算功率模塊的壽命。
IPOSIM壽命評(píng)估服務(wù)是一個(gè)完全自動(dòng)化的過程，它綜合了我們所有的半導(dǎo)體專業(yè)知識(shí)，結(jié)合了最先進(jìn)的方法和先進(jìn)的編程知識(shí)。這項(xiàng)服務(wù)使設(shè)計(jì)人員能夠在線獲得英飛凌的電力電子技術(shù)，24/7，并根據(jù)需要頻繁使用。
圖1 自動(dòng)化的壽命估計(jì)過程
這個(gè)過程（圖1）從所需的工況、冷卻條件和要評(píng)估的功率模塊等相關(guān)信息開始。考慮到這些信息，估計(jì)設(shè)備壽命的計(jì)算將在IPOSIM中自動(dòng)運(yùn)行。一旦完成，用戶可以下載一個(gè)定制的PDF報(bào)告，其中包含最相關(guān)的結(jié)果，包括所選器件的可能循環(huán)次數(shù)。
在為牽引應(yīng)用選擇正確的功率模塊時(shí)感到困惑？現(xiàn)在不會(huì)了。
讓我們想象一下，我們正在設(shè)計(jì)一個(gè)用于牽引應(yīng)用的功率變換器。我們已經(jīng)選擇了一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定了工作條件，定義了冷卻條件，并且我們發(fā)現(xiàn)我們需要一個(gè)具有以下額定值的功率模塊（1.7kV@1.2kA）。現(xiàn)在是時(shí)候決定哪種功率模塊最適合這一應(yīng)用了。
對(duì)于這個(gè)例子，我們將做一些假設(shè)，只是為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程。讓我們假設(shè)唯一可以使用的封裝是PrimePACK?。經(jīng)過若干技術(shù)考慮，以下三個(gè)型號(hào)是我們的候選器件。
1.FF1200R17IP5
2.FF1400R17IP4
3.FF1500R17IP5R
工況是什么？好吧，讓我們假設(shè)火車的往返行程大約需要兩個(gè)小時(shí)，我們需要保證至少有一萬個(gè)周期。圖2描述了列車運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)周期的工況，轉(zhuǎn)化為電力電子變量。
圖2 牽引應(yīng)用的工況
我們使用IPOSIM壽命估計(jì)服務(wù)來估計(jì)這三個(gè)型號(hào)的壽命。一旦分析結(jié)束，IPOSIM就會(huì)生成一份PDF報(bào)告，強(qiáng)調(diào)最相關(guān)的結(jié)果，如圖3所描述的。功率損耗使我們能夠了解到變換效率。通過溫度結(jié)果，我們可以驗(yàn)證所選器件是否適合我們的冷卻條件，并保證在整個(gè)工況中的正常運(yùn)行。最后，柱狀圖描述了取決于溫度波動(dòng)的壽命消耗。
圖3 使用FF1500R17IP5R功率模塊的牽引應(yīng)用的仿真結(jié)果
選擇正確的功率模塊。
我們已經(jīng)看到了一些顯著的結(jié)果；然而，我們還沒有根據(jù)循環(huán)次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)選擇正確的器件。這就是為什么報(bào)告包括一個(gè)最終的表格，總結(jié)了每個(gè)器件可能的循環(huán)數(shù)。下表顯示了被評(píng)估的器件之間的比較。
可以看出，即使這三個(gè)器件在相同的電氣的額定值下工作，只有FF1500R17IP5R達(dá)到了預(yù)期的周期數(shù)（>10k周期）。必須指出的是，F(xiàn)F1400R17IP4沒有產(chǎn)生仿真結(jié)果。原因是在評(píng)估的條件下，這個(gè)功率模塊的溫度增加超過了最大限值，因此，壽命沒有計(jì)算出來。
如何開始使用壽命評(píng)估
在這篇短文中，我們解釋了IPOSIM壽命估算服務(wù)是如何以及為什么能夠在設(shè)計(jì)階段快速、精確地做出決策，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)節(jié)省時(shí)間和精力。這項(xiàng)服務(wù)從電力電子設(shè)計(jì)中最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一開始，包括基于模塊的三相兩電平逆變器。其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也將在不久的將來導(dǎo)入仿真工具。
來源：英飛凌
原創(chuàng)：Jaime Zapata
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