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

       自從2007年的第4代DIPIPM™開始，三菱電機(jī)就開始采用絕緣導(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)壽命評估中只需要考慮功率循環(huán)壽命。


圖2    DIPIPM™內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3是功率半導(dǎo)體在運(yùn)行過程中各個(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為功率循環(huán)壽命，對應(yīng)的損壞稱為功率循環(huán)壽命損壞，它對應(yīng)的是結(jié)溫的變化(ΔTj)。

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

如果一顆DIPIPM™能有幸熬過了所有的過壓/過流/過熱之后，就會像圖4那樣綁定線接合部開裂而壽終正寢。

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

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

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)可能會持續(xù)非常長的時(shí)間。說是熬夜熬出來的也不算太過分。

還是以圖5為例，如果我們有10000臺設(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%

簡單來說，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，器件的損壞越來越多。這既符合我們的生活常識，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．過小的ΔTj會導(dǎo)致計(jì)算困難。例如在圖7中，如果ΔTj2過小，我們會重點(diǎn)分析ΔTj1而忽略ΔTj2。因?yàn)槲覀兒茈y知道單次運(yùn)行中類似的小波動出現(xiàn)了多少次，也很難知道在整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行周期里，這樣的小波動會出現(xiàn)多少次。

圖7    運(yùn)行中的ΔTj選擇

3.6.2

電梯門機(jī)應(yīng)用中DIPIPM™的健康管理

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

先解釋一下，電梯門的結(jié)構(gòu)。一般說的電梯門其實(shí)是分為兩道門，廳門和轎門。其中廳門沒有動力，開門的動力來自轎門上門機(jī)變頻器。門機(jī)變頻器控制電機(jī)，再通過鋼絲繩連接到轎門和門刀上。而廳門則由門刀傳遞動力進(jìn)行開門。圖8是電梯門機(jī)的局部圖。圖中可以看到鋼絲繩，門刀和轎門。

圖8    電梯門機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

對于門機(jī)變頻器而言，其主要有3種工作狀態(tài)。

1. 控制門板進(jìn)行正常開關(guān)門。這里要順帶說一下電梯門機(jī)是怎么檢測夾人的。轎門和廳門上會有多種結(jié)構(gòu)來檢測擋門的動作，比如活動擋板或者紅外線感應(yīng)收發(fā)器等。如果有人擋門，上述傳感器會動作并告知門機(jī)變頻器。門機(jī)變頻器會立馬從關(guān)門狀態(tài)轉(zhuǎn)為開門狀態(tài)，以保證乘客的安全。這樣的一個(gè)循環(huán)仍然會被視為一次正常的開關(guān)門過程，原因是在這個(gè)過程中沒有因?yàn)槎罗D(zhuǎn)而加大電流。

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

3. 電梯門關(guān)門到位以后，門機(jī)變頻器會給門提供一個(gè)比較小的力，確保門板處于關(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過小導(dǎo)致計(jì)算困難問題。所以一般情況下就不考慮了。

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

 

工況1(正常開關(guān)門)：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    電梯門機(jī)正常運(yùn)行仿真

可見在單次運(yùn)行中，IGBT的平均結(jié)溫可以達(dá)到107.33℃。對應(yīng)的ΔTj為6.2℃。根據(jù)功率循環(huán)曲線，對應(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)是否能滿足電梯開關(guān)門的需要呢？答案是可以的。

假設(shè)電梯門一分鐘開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    電梯門機(jī)關(guān)門堵轉(zhuǎn)和關(guān)門保持仿真

需要說明的是關(guān)門堵轉(zhuǎn)的工況并不會每次關(guān)門都出現(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。對于SLIMDIP-S來說，其最大結(jié)溫為150℃，關(guān)門堵轉(zhuǎn)的125.5℃可以輕松承受。

 

好吧，現(xiàn)在的電梯門機(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。