IGBT模块功率循环能力与可靠性试验

为验证IGBT模块的可靠性,分析了IGBT模块的封装结构,并在传统IGBT模块功率循环试验的基础上建立新的模型,通过具体的试验得到IGBT模块功率循环后失效状况,并对该状况进行分析。相对传统IGBT寿命预测和可靠性评估,该功率循环的新方法更加贴合实际应用工况,对IGBT失效分析具有借鉴作用。     

功率IGBT模块的寿命预测

介绍了功率循环试验数据的威布尔分析方法,分析了现有的典型模块寿命模型,论述了寿命预测的方法:将任务曲线转化成温度曲线,利用雨流计数法,根据线性疲劳损伤积累理论和寿命模型计算功率循环寿命。最后,预测了应用于HXD1C电力机车的株洲南车时代电气股份有限公司3300V/1200A IGBT模块的功率循环寿命。     

功率循环测试中衬底焊接层的可靠性

基板与陶瓷衬底之间的焊层寿命通常利用IGBT模块的被动加热和冷却(热循环)来测试,但这种试验会引起焊层失效(分层)。实际应用中,IGBT和二极管芯片是主动被加热的,诸如焊线脱落等其它模式的失效也会限制使用寿命,通常可通过功率循环试验来评估这种应力的影响。本文通过功率循环试验来评估衬底焊层的失效,利用高循环周次的测试进行有效的衬底焊层热循环试验,其关键在于功率循环过程中焊层温度的预测。在温度波动不大的条件下,比较了被动热循环和主动功率循环时对焊接寿命的影响。     

基于频域法的高速列车转向架附属设备随机振动疲劳寿命评估方法研究

近年来，基于频域法的随机振动疲劳寿命评估方法因具有简洁性和计算高效性的优点而被广泛运用到实际工程中。但是频域法模型的种类繁多，在相同的应力功率谱下使用不同频域法模型得到的疲劳结果有很大差异，因此，对某一结构在特定载荷和响应谱条件下的频域法模型进行研究是极具意义的。文章以高速列车转向架的附属设备作为研究载体，基于IEC 61373:2010标准，运用雨流循环计数法和傅里叶逆变化时域模拟方法，提出了一种适用于转向架附属设备的随机振动疲劳寿命频域法计算模型。设置了3组加速度功率谱载荷下的随机振动疲劳试验，将各种频域法模型计算得到的疲劳寿命和试验寿命进行了对比。结果表明，文章所提出的模型计算疲劳寿命与随机振动疲劳寿命试验值的误差最小，验证了常用频域法模型和文章提出的频域法模型的准确性和有效性。     

基于任务剖面的高速列车牵引变流器IGBT寿命评估

高速列车复杂的工况和恶劣的运行环境,导致牵引变流器中的功率模块具有相对较高的故障率,合理地对其进行寿命评估对保证列车安全运行以及优化现有的维修策略具有重要研究意义。针对现有的基于故障统计不能有效进行可靠性分析的问题,同时运行工况及环境对模块的寿命产生不可忽略影响,文中基于列车任务剖面进行寿命评估,通过对广州南—长沙南线路的某车型动车组加装传感器,采集变流器关键运行信息,然后基于变流器的数学模型推导和仿真获取功率模块的热载荷,结合应力—强度分析,最终使用雨流算法和Norris-Landzberg模型完成IGBT寿命的评估。     

功率封装钝化层开裂原理分析

功率芯片表面的钝化层裂纹严重影响功率器件的可靠性。文章通过典型的D-PAK模块温度循环试验,对钝化膜失效原理进行了深入研究。温度循环试验结果表明,裂纹在靠近边界覆盖有铝膜的钝化层中生长,但是很少出现在铝条中。如果钝化膜中的裂纹始终和制造过程中最先产生的裂纹保持一致,那么器件的寿命将会很长。这要求应力强度因子总是小于钝化膜的韧性,否则裂纹就会在后续的服役周期中生长并扩展;应用Griffith准则可以知道裂纹是否会产生。最后,给出了裂纹萌生周期临界值的估算方法,并绘制了裂纹萌生图作为钝化层的失效准则。文章提出的系统性检测钝化层产生棘轮变形和开裂的方法,可以提高器件的可靠性。     

基于热传导模型的IGBT结温计算方法

针对IGBT芯片结温难以直接测量的问题,提出了一种基于热传导模型的IGBT结温计算方法。基于经典的Cauer型RC网络结构,建立了变流器热传导模型;结合传递函数概念和热传导模型结构,完成了变流器热传导模型的参数识别;通过查阅IGBT产品手册以及实际工作工况,计算得到IGBT实时功率损耗;最终通过MATLAB/Simulink进行仿真计算,得到变流器IGBT芯片的实时结温。此方法实现了IGBT芯片结温的快速计算,为IGBT可靠性和寿命评估提供了数据支撑,同时也为功率模块及变流器的设计研发提供了新的科学依据。     

基于可靠性仿真的寿命预测技术及应用

为实现产品寿命的快速评估,探讨了基于可靠性仿真的寿命预测方法的适用性及有效性情况。以某车载处理器模块为研究对象,找到了热、振动设计的薄弱环节,预测了平均寿命指标为4.84年。该方法相对于可靠性预计的寿命评估技术,不依赖于器件手册的故障率数据,预测精度较高,相对于加速寿命试验的寿命评估技术,预测周期及试验成本可以极大缩减,具有广阔的应用前景。     

基于加速退化数据的动车组电连接器寿命预测研究

电连接器对于动车组安全可靠稳定地运行至关重要。为提高电连接器产品寿命预测的效率与准确度,通过设计实施连接器加速试验,获取产品性能退化数据,采用寿命预测物理模型与数据处理算法,基于退化量分布的加速退化数据建模流程,实现动车组电连接器可靠度与寿命的评估。据此设计了基于退化数据的寿命预测软件,实现了退化数据预处理、数据分布拟合、模型参数计算、模型曲线绘制与寿命值的预测。     

牵引变流器功率器件结温在线监测方法综述

功率器件结温在线监测对牵引变流器安全可靠运行至关重要,准确的结温监测是牵引变流器失效分析、运行状态监测、健康管理和剩余服役寿命预测的基础。因此,面向功率器件结温在线监测开展了大量研究。在此基础上,概述了以热网络模型法和温敏参数法为主的功率器件结温在线监测方法,以此为分类基准梳理了现有功率器件的结温监测方法并讨论了在牵引变流器中在线实现的可能,详细介绍了功率器件结温监测方法针对在线应用及客观因素干扰的发展与改进。最后,总结并对比了现有功率器件结温在线监测方法的演变、联系与差异,在分析现有结温监测方法面临挑战的基础上,展望功率器件结温在线监测在人工智能技术辅助下的前景。     

基于铜夹互连的双芯片功率器件的热力机械性能研究

传统的功率半导体器件封装结构通常会采用铝（Al）线键合，这就导致了器件电路寄生电感大和可靠性问题，限制了碳化硅（SiC）功率器件的发展。有研究人员提出了一种新型的铜夹互连工艺，可实现双面散热和提高器件的功率密度，但目前的研究主要集中在其热性能和可靠性方面，缺少对结构设计的优化研究。因此，有必要对多芯片铜夹互连的结构优化设计开展进一步研究。文章针对铜夹功率器件重要的结构参数对芯片应力集中的影响进行了仿真研究。结果表明，铜夹厚度对芯片应力集中影响最大，而铜夹跨度影响最小。对比采用焊料层应力最小的结构参数建立铜夹器件模型与对应的引线模块，可发现在功率循环下，铜夹器件的铜夹和焊料层的疲劳寿命相比于引线模块提升了10倍以上，并且卸荷槽对提升铜夹器件疲劳寿命有显著影响。     

基于锁闭功率的地铁折返道岔锁闭卡阻临界态自适应判别研究

针对地铁折返道岔设备锁闭卡阻故障易发生但不易预判的问题,以S700K转辙机为研究对象,从统计学角度,基于锁闭功率建立自适应的锁闭卡阻临界态判别新机制.对锁闭卡阻故障前的锁闭功率变化行为进行了统计分析;提出基于循环Otsu的卡阻临界功率阈值自适应分割模型,依据临界阈值设计锁闭卡阻临界态判别应用场景方案;利用武汉地铁不同线路的多组道岔锁闭卡阻故障前后锁闭功率数据进行实证测试,验证了所提模型和方案的有效性.     

温度应力下动车组连接器加速试验与寿命预测

为预测连接器的寿命趋势,减少器件检修时不必要的更换,文章以某型车端高压连接器为研究对象,以连接器的接触电阻退化作为参数指标,通过恒定温度应力加速退化实验获得其性能退化数据。利用阿伦尼斯模型描述样品寿命与温度之间的关系,使用逆高斯分布描述寿命函数,采用极大似然估计法对连接器的接触电阻性能退化数据进行数理统计,求解模型参数,对连接器进行了寿命预测,对其可靠性检测工艺及其加速寿命试验相关技术进行了研究。     

基于高速列车多工况运行数据的牵引传动系统支撑电容的寿命评估

高速列车牵引传动系统中,支撑电容是不可或缺的储能与滤波元件。然而,在高速列车运行的过程中,支撑电容由于受到高纹波电流、高纹波电压、多变的环境温度的影响,其可靠性的研究存在巨大的挑战。根据牵引传动系统支撑电容采用的薄膜电容的特点,文中首先从薄膜电容的物理、电路结构与失效机理出发,分析了影响薄膜电容可靠性的内在因素。其次,基于薄膜电容的功率损耗计算方法,对其进行了电热应力分析,结合薄膜电容的寿命评估模型以及实车运行采集的广州南到长沙南的某车型动车组的多工况运行数据,对牵引传动系统的支撑电容的寿命在试验工况的任务剖面下进行了评估。该评估方法为支撑电容的监测、更换、维护时间以及面向可靠性的设计提供了依据。     

基于光功率法的弓网电弧测试

设计了一种基于光功率器件的弓网电弧测试系统,通过现场测试取得了大量试验数据,结合线路情况对数据进行分析,结果表明基于光功率法的弓网运行状态试验可以对弓网电弧、光照变化、特殊线路结构等造成的光强变化有明显响应。该方法为研究弓网电弧特征奠定了基础。     

动车组齿轮箱功率损失研究与分析

通过对高速动车组齿轮箱功率损失组成和影响因素的分析建立了齿轮箱功率损失模型。结合某型动车组齿轮箱在不同转速和扭矩条件下的试验数据,讨论了功率损失与润滑油温度、转速、扭矩以及传递功率的影响关系。研究表明:在稳定工况下油温直接影响功率损失的大小,在动态工况下转速变化比扭矩变化对功率损失的影响更大,齿轮箱传递效率在受功率损失影响外,同时也受总传递功率影响,齿轮箱在满载功率下传递效率更高。     

基于模糊评判法的城市轨道交通瓷绝缘子剩余寿命评估方法

某城市轨道交通接触网瓷绝缘子已运行近40年，逐渐呈现故障率上升的趋势。该城市轨道交通运维部门提出了对绝缘子剩余寿命进行评估和制定维护策略的需求。根据该城市轨道交通线路不同运行年限绝缘子样本及评估要求，制定了一套涵盖绝缘子表面退化、机械性能及电气性能在内的老化寿命试验方案，并采用模糊评判法对试验数据进行分析，得出城市轨道交通接触网瓷绝缘子的剩余寿命评估结果：机械性能、表面退化及电气性能按权重顺序依次影响瓷绝缘子剩余运行寿命；基于试验及模糊评价理论的剩余寿命评估方法能够评估瓷绝缘子的剩余寿命；机械性能是影响瓷绝缘子运行的核心性能指标，应对老旧瓷绝缘子机械性能进行定期检验，并根据检验结果确定是否需要更换。     

高速列车液晶显示器可靠性强化试验技术研究

针对高速列车液晶显示器型式试验所导致的产品寿命损伤无法量化及试验周期较长的情况,从显示器的设计寿命与实际使用工况出发,通过强化试验模型推算出与现场实际损伤等效的试验参数,研制了温度循环与综合应力2种可靠性强化试验剖面,确保了产品具有足够的强壮度,避免了因试验过度强化而导致其可靠性过高的问题。通过试验,迅速激发了产品的多类潜在故障,经故障分析与改进,提高了其固有可靠性。     

一种新型的平板型功率半导体器件压装技术

对几种平板型功率半导体器件压装方法的利弊进行了分析,并介绍了一种新型功率器件压装技术。通过机械仿真及实物操作,验证了该压装方法的可行性,为日后平板型器件的工程应用提供参考。     

变频器例行试验中的功率考核技术研究

从功率器件IGBT以及变频器的工作原理和工作特性出发,对业界常用的三种变频器例行试验中功率考核试验方法进行技术分析和比较,同时作者结合多年从事变频器测试技术工作积累的经验进行了验证和分析,旨在为合理选择变频器功率考核试验方法和测试系统提供参考和指导.