Как избежать отказа силовой электроники: диаграммы энергетических и термических циклов

17 марта

ответственные примененияInfineonстатьядискретные полупроводники

В технической инструкции компании Infineon рассматриваются практические примеры расчета наработки на отказ модулей IGBT с учетом энергетических и термических циклических нагрузок.

В приложениях силовой электроники комбинации различных тепловых и силовых режимов приводят к появлению различных термических напряжений внутри устройства. Для обеспечения надежности и заданной наработки на отказ силовых устройств необходимо наличие диаграмм, описывающих все эти комбинации режимов. В процессе эксплуатации необходимо обеспечивать максимальные нагрузки, не выходящие за пределы, заданные соответствующими диаграммами.

Различают два типа циклов нагрузок: энергетические циклы (PC), влияющие на температуру перехода (ΔTvj), и термические циклы (TC), влияющие на температуру паяного соединения и корпуса устройства (ΔTс).

Давайте рассмотрим условия эксплуатации, приводящие к отказу устройств, и изучим диаграммы соответствующих энергетических и термических циклов. 

Энергетические циклы

Модуль IGBT, показанный на рисунке 1, содержит примерно 450 проводов и 900 соединений. Обеспечение надежности такой конструкции является достаточно сложной задачей.

Рис. 1. Типовой внутренний вид силового модуля

Рис. 1. Типовой внутренний вид силового модуля

Энергетические циклы создают быстрые колебания температуры полупроводникового перехода, время которых измеряется единицами секунд. В основном это приводит к механическим напряжениям соединительных проводов полупроводниковых элементов и паяных соединений под элементами. Возможность работы силового полупроводникового устройства в определенном энергетическом цикле зависит от максимальной температуры перехода Tvj, размаха температуры ΔTvj, продолжительности цикла tcyc и активной части цикла ton. Приведем определения основных величин, используемых для анализа характеристик устройств.

Tvj – температура в районе полупроводникового перехода. Так как эта величина может быть определена только косвенно или с помощью расчетов, она называется «виртуальной температурой перехода».

Tvjmax – максимальная температура перехода, определяемая как максимально допустимая температура для конкретного модуля, которая может быть достигнута во время энергетических циклов. Чем выше Tvjmax, тем больше нагрузка на устройство и, соответственно, меньше количество рабочих циклов.

toff – время без нагрузки. Настраивается таким образом, чтобы в период отсутствия нагрузки температура Tj падала до уровня, обеспечивающего желаемое ΔTj. Обычно toff примерно находится в том же диапазоне, что и ton.

ton – активная часть цикла, время, в течение которого в устройстве генерируются потери мощности, приводящие к плавному росту Tvj. Чем протяженнее ton, тем выше температура устройства и, соответственно, нагрузка, что приводит к сокращению времени наработки на отказ. Типовое значение ton для тестов – 1,5 с.

tcyc – период энергетического цикла ton + toff. Типовое значение tcyc для тестов – 3 с.

На рисунке 2 показан пример диаграммы энергетических циклов.

Рис. 2. Зависимость количества циклов от размаха температуры для энергетического теста при максимальной температуре перехода

Рис. 2. Зависимость количества циклов от размаха температуры для энергетического теста при максимальной температуре перехода

Как видно из рисунка 2, при цикличном размахе температуры ΔTj = 60 K устройство выдерживает 300000 рабочих циклов.

Для корректного чтения подобных диаграмм от разных производителей важно знать условия их составления. Так, в компании Infineon:

Критерий отказа определяется как увеличение сопротивления перехода на 20% и увеличение падения напряжения на устройстве в активном состоянии на 5%.

Температурный уровень – устройства тестируются в самых жестких условиях, когда верхний уровень размаха температуры достигает Tjmax.

Интенсивность отказов – вероятность, что модули в полевых условиях не будут соответствовать одному из вышеперечисленных критериев. Для построения диаграмм энергетических циклов используется величина 5%.

Время цикла – 3 с.

При анализе диаграмм других производителей необходимо учитывать, при каких условиях они составлялись. Лучшие характеристики могут быть результатом использования более выгодных условий тестов, таких как более высокий уровень критерия отказа, более низкий температурный уровень.

Практические примеры

Пример 1.

Модуль используется в инверторе привода двигателя в прерывистом режиме работы, активная часть цикла – 10 с, продолжительность цикла – 60 с. Нагрузка приводит к колебаниям температуры модуля IGBT в диапазоне 85…125ºС, то есть размах температуры ΔTvj= 40 K.

Как показано на рисунке 3, при Tvjmax = 125ºС и ΔTvj = 40 K результат –  2,3 миллиона циклов. Так как время цикла в примере равно 10 с, количество циклов необходимо умножить на коэффициент нормализации 0,57 в соответствии с нижней диаграммой рисунка 3. Окончательно получаем 1,3 миллиона циклов. Из диаграмм, изображенных на рисунке 3, также видно, что, например, при непрерывной работе со временем цикла 60 с ожидается время наработки устройства на отказ 21600 часов при заданных условиях эксплуатации.

Рис. 3. Пример диаграмм надежности модулей IGBT 4

Рис. 3. Пример диаграмм надежности модулей IGBT 4

Пример 2.

Такой же модуль, как и в предыдущем примере, используется в прерывистом режиме работы с переменной нагрузкой за цикл. Первый активный период 10 с приводит к увеличению температуры перехода с 85°С до 125°С. Следующие три активных периода по 0,5 с каждый приводят к увеличению температуры с 85°С до 105°С. Время без нагрузки между любой парой активных периодов составляет более 2 с. Общая длина цикла равна 60 с. Кривая нагрузки показана на рисунке 4.

Рис. 4. Пример кривой нагрузки с переменной длиной импульса

Рис. 4. Пример кривой нагрузки с переменной длиной импульса

Для первого импульса получаем ΔTvj = 40 K, для следующих трех импульсов ΔTvj = 20 K. Как было показано в примере 1, для первого импульса получаем наработку на отказ 1,3 миллиона циклов. Используя данные, изображенные на рисунке 3, для импульсов 2…4 получаем наработку на отказ 626 миллионов импульсов.

Каждый импульс снижает срок эксплуатации устройства. В целом эту зависимость можно выразить формулой 1:

$$N_{cycle}=\frac{1}{\frac{1}{N_{1}}+\frac{1}{N_{2}}+\frac{1}{N_{3}}+\frac{1}{N_{4}}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Подставляя величины N1…N4 в формулу 1, получаем ожидаемую наработку на отказ 21560 часов. Следует отметить, что 99,4% наработки происходит за счет первого импульса с большим размахом температуры. Последующие три импульса с низким размахом температуры вносят всего 0,6% в общую наработку на отказ.

Термические циклы

Общеизвестными преимуществами использования меди в качестве материала основания являются легкость механической обработки и высокая теплопроводность. Недостатком является большая разница коэффициентов теплового расширения (КТР) меди и керамической подложки. Различные КТР в совокупности с термическими нагрузками приводят к механической деформации пайки. Повторные тяжелые циклы нагрузки приводят к трещинам пайки и увеличивают тепловое сопротивление между элементом и базовой пластиной.

Для решения данной проблемы можно использовать относительно жесткий материал, например, металломатричный композиционный материал AlSiC с низким отклонением КТР от керамической подложки. Кроме того, сниженный биметаллический эффект позволяет получить хорошо сбалансированную поверхность с теплоотводом. Самым главным преимуществом является повышение надежности устройства. Как показывают результаты высоконагруженного теста с ΔTc = 80 K (рисунок 5), слой пайки между медной пластиной и керамикой сильно отслаивается на краях после нескольких тысяч циклов нагрузки, тогда как модули с AlSiC показывают значительно лучшие результаты.

Рис. 5. Сравнение термических циклов для меди (сверху) и AlSiC (снизу) показывает стабильный тепловой контакт при использовании пластин из AlSiC

Рис. 5. Сравнение термических циклов для меди (сверху) и AlSiC (снизу) показывает стабильный тепловой контакт при использовании пластин из AlSiC

Термические циклы приводят к колебаниям температуры корпуса с периодом порядка нескольких минут.

На рисунке 6 показана диаграмма термического цикла, определяющая зависимость между допустимым количеством температурных циклов и размахом температуры для паяного соединения, описанного выше.

Рис. 6. Пример термического цикла промышленных модулей с медным основанием и тяговых модулей с AlSiC в зависимости от размаха температуры при фиксированной минимальной температуре корпуса

Рис. 6. Пример термического цикла промышленных модулей с медным основанием и тяговых модулей с AlSiC в зависимости от размаха температуры при фиксированной минимальной температуре корпуса

Как показано на рисунке 6, при циклическом размахе температуры ΔTc = 80 K устройство IHM-A с медной базовой пластиной может выдержать 3000 циклов, тогда как соответствующее устройство с AlSiC выдерживает 30000 циклов.

Так же как и в случае сравнения диаграмм энергетических циклов, для сравнения результатов тестирования компонентов разных производителей необходимо учитывать условия проведения тестов.

Для анализа термических циклов необходимо учитывать колебания температуры корпуса с периодом порядка нескольких минут. Именно такие колебания приводят к разрушениям паяного контакта. Колебаниями меньшей продолжительности можно пренебречь.

Алгоритм «дождя» (rainflow-counting) для расчета наработки на отказ

Для определения ожидаемой наработки на отказ конкретного приложения необходимо учитывать результаты вычисления наработки как для энергетических, так и для термических циклов. Для таких задач используется приложение IPOSIM от компании Infineon.

При сложных нагрузках с изменяющимся температурным профилем используется анализ усталостных напряжений с целью замены непрерывного спектра нагрузок на дискретный набор нагрузочных циклов. При таком подходе наработка на отказ вычисляется с помощью диаграмм, рассмотренных выше.

Для использования алгоритма «дождя» необходимо построить график зависимости температуры от времени, где точками графика являются максимумы и минимумы температуры. Полученный график необходимо повернуть на 90º, как это показано на рисунке 7.

Рис. 7. Графики алгоритма «дождя»

Рис. 7. Графики алгоритма «дождя»

Каждый пик представляется как падающая капля воды. Падение «капли» начинается от каждого максимума и минимума, и заканчивается при следующих условиях:

  1. начало от минимума, достигается максимум, равный или больший предыдущему;
  2. начало от минимума, проходится минимум, равный или меньший начальному;
  3. начало от максимума, достигается минимум, равный или меньший предыдущему;
  4. начало от максимума, достигается максимум, равный или больший чем начальное значение;
  5. происходит наложение на поток предыдущей «капли»;
  6. достигается конец графика.

На основании этих данных записывается количество полуциклов и их амплитуда. Для каждого полуцикла проводятся вычисления, и в результате получается наработка на отказ для условий сложной нагрузки.

Оригинал текста

Авторизованный перевод Алексея Гребенникова по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
FF900R12ME7B11BOSA1 (INFIN)
FF600R12ME4B72BOSA1 (INFIN)
FF600R17ME4BOSA1 (INFIN)
FF225R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF225R17ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF300R12ME4B11BPSA1 (INFIN)
FF300R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF300R12ME4PB11BPSA1 (INFIN)
FF300R12ME4PBOSA1 (INFIN)
FF300R17ME4BOSA1 (INFIN)
FF450R07ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF450R12ME4B11BPSA1 (INFIN)
FF450R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF450R12ME4PB11BOSA1 (INFIN)
FF450R12ME4PBOSA1 (INFIN)
FF450R17ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF450R17ME4BOSA1 (INFIN)
FF600R12ME4AB11BOSA1 (INFIN)
FF600R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF600R12ME4PBOSA1 (INFIN)
FF600R17ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF600R17ME4PB11BOSA1 (INFIN)
FF600R17ME4PBOSA1 (INFIN)