3.6.1
DIPIPM™的功率循環(huán)壽命
通過前面的DIPIPM™應用系列講座，我們了解了DIPIPM™工作原理､內部結構､選型原則､驅動電路設計要點､PCB設計要點及應用評價方法等，所有這些內容目的都是為了讓DIPIPM™在實際應用裝置中長期健康地工作，如果我們的設計足夠優(yōu)秀，沒有任何瑕疵，是否意味著DIPIPM™可以一直工作呢？如果存在壽命，那么壽命怎么來計算呢？帶著這些問題，小編采訪了三菱電機應用技術專家（大師，叫大師），希望能夠就DIPIPM™健康管理方面給大家?guī)硪恍﹩l(fā)。
DIPIPM™的一生是勤勞的一生。他從三菱電機的工廠誕生就開始為人們的美好生活而努力奮斗。或節(jié)能減排，或提升效率。與此同時還要承受過壓､過流､噪聲､浪涌的各種沖擊。如果他能熬過所有的這一切，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。其本質是功率半導體模塊的各層材料在溫度變化時，由于熱膨脹系數不同，產生熱膨脹梯度不同，進而產生連接老化開裂的現象。
圖1為普通半導體模塊的剖面構造圖。其中紅色標注的部分為影響模塊壽命的連接點。結合表1中的各種材料熱膨脹系數。我們可以發(fā)現無論是功率循環(huán)壽命還是熱循環(huán)壽命，損壞點上下兩層材料的熱膨脹系數都是相差非常大的。
圖1 普通功率半導體剖面構造圖
表1 不同材料的熱膨脹梯度
自從2007年的第4代DIPIPM™開始，三菱電機就開始采用絕緣導熱墊片作為絕緣散熱材料，就像圖2這樣。絕緣導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”在一起形成一個整體。這種結構使得DIPIPM™在傳統(tǒng)意義下的熱循環(huán)壽命遠遠高于功率循環(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™內部結構
圖3是功率半導體在運行過程中各個關鍵溫度的變化示意圖。一般情況下，我們比較關心的是器件的結溫(Tj)和殼溫(Tc)。嗯，DIPIPM™也包含在內。
圖3 功率半導體中的溫度變化
該示意圖中包含了兩種運行模式。
1．殼溫(Tc)變化很小，但結溫(Tj)變化頻繁。此工作模式下的壽命稱為功率循環(huán)壽命，對應的損壞稱為功率循環(huán)壽命損壞，它對應的是結溫的變化(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，對應的損壞稱為熱循環(huán)壽命損壞，它對應的是殼溫的變化(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，功率半導體廠家會提供根據不同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℃下的測試數據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)計算出來的。
特別是ΔTj=46℃的條件。溫差小，循環(huán)次數多。整個功率循環(huán)實驗可能會持續(xù)非常長的時間。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臺設備都是用了三菱的DIPIPM™。單次運行溫差ΔTj為70℃，那么：
a.完成20000個周期后，DIPIPM™的故障率約為0.1%
b.完成30000個周期后，DIPIPM™故障率約為1%
c.完成50000個周期后，DIPIPM™故障率約為10%
簡單來說，隨著運行時間的增長，器件的損壞越來越多。這既符合我們的生活常識，也很符合描述半導體損壞率的浴缸曲線。如圖6 E-F段所示。
圖6 半導體器件損壞率曲線
另外一個需要提到的點是這樣的。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。但是在實際應用中，我們傾向于使用ΔTj>20K的部分。主要有兩個原因：
1．經驗表明，在小ΔTj的情況，器件的實際能力比曲線要高得多。
2．過小的ΔTj會導致計算困難。例如在圖7中，如果ΔTj2過小，我們會重點分析ΔTj1而忽略ΔTj2。因為我們很難知道單次運行中類似的小波動出現了多少次，也很難知道在整個設備的運行周期里，這樣的小波動會出現多少次。
圖7 運行中的ΔTj選擇
3.6.2
為什么要用電梯門機來解釋這個功率循環(huán)曲線呢？因為電梯門機是一個工況固定的往復運動。也是少數幾個能在實驗室里能對主要工況進行完全模擬的工業(yè)應用。
先解釋一下，電梯門的結構。一般說的電梯門其實是分為兩道門，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變頻器。門機變頻器控制電機，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行開門。圖8是電梯門機的局部圖。圖中可以看到鋼絲繩，門刀和轎門。
圖8 電梯門機的機械結構
對于門機變頻器而言，其主要有3種工作狀態(tài)。
1. 控制門板進行正常開關門。這里要順帶說一下電梯門機是怎么檢測夾人的。轎門和廳門上會有多種結構來檢測擋門的動作，比如活動擋板或者紅外線感應收發(fā)器等。如果有人擋門，上述傳感器會動作并告知門機變頻器。門機變頻器會立馬從關門狀態(tài)轉為開門狀態(tài)，以保證乘客的安全。這樣的一個循環(huán)仍然會被視為一次正常的開關門過程，原因是在這個過程中沒有因為堵轉而加大電流。
2. 如果上述傳感器沒有信號，但是門機變頻器通過編碼器發(fā)現電機轉不動。它會嘗試增加電流加大關門力度。如果還不行則放棄關門。這個過程中電機處于堵轉狀態(tài)，需要特別重視。
3. 電梯門關門到位以后，門機變頻器會給門提供一個比較小的力，確保門板處于關閉狀態(tài)。這時候電機也是處于堵轉狀態(tài)，但是電流遠小于上述第二種工況。而且也存在ΔTj過小導致計算困難問題。所以一般情況下就不考慮了。
接下來我們來看一個實際的案例。所用功率器件為SLIMDIP-S。感謝中國計量大學校友提供仿真條件。
工況1(正常開關門)：Vcc=300V, Ic(rated)=1.2Arms, fc=10kHz, fo=50Hz, PF=0.99, M=1, Ts(max)=90℃。仿真結果如圖9所示。
圖9 電梯門機正常運行仿真
可見在單次運行中，IGBT的平均結溫可以達到107.33℃。對應的ΔTj為6.2℃。根據功率循環(huán)曲線，對應壽命已經遠超10M次0.1%損壞率。
那這個循環(huán)次數是否能滿足電梯開關門的需要呢？答案是可以的。
假設電梯門一分鐘開1次/關1次，每日工作12小時，全年工作365天，工作10年。對應的循環(huán)次數為：10年x365天/年x12小時/天x 60分鐘/小時x 4次/分鐘=10.4M次
工況2(關門堵轉)：Vcc=300V, Io=2.4Arms, fc=10kHz, fo=50Hz, PF=0.99, M=0.1, Ts(max)=90℃
工況3(關門保持)：Vcc=300V, Io=1.2Apeak, fc=10kHz, fo=50Hz, PF=0.99, M=0.1, Ts(max)=90℃
仿真結果如圖10所示。
圖10 電梯門機關門堵轉和關門保持仿真
需要說明的是關門堵轉的工況并不會每次關門都出現，只是屬于意外情況。所以一般只要求器件能夠承受單次運行導致的沖擊即可。對于SLIMDIP-S來說，其最大結溫為150℃，關門堵轉的125.5℃可以輕松承受。
好吧，現在的電梯門機系統(tǒng)，主流使用的器件是10-15A的DIPIPM™。但是事實上5A的器件也已經可以提供充足的余量了。有興趣的可以找我聊聊。
