【導讀】功率模塊是大功率電力電子系統的核心部件。因此，它們的壽命對最終產(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)行復雜的模擬仿真，由于工況文件冗長(cháng)且復雜多變, 往往將仿真工具和方法推到極限。出于這個(gè)原因，在仿真方法和半導體特性方面需要高水平的專(zhuān)業(yè)知識。了解功率模塊在實(shí)際使用情況下的行為對選擇正確的功率模塊，進(jìn)而對系統成本、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的壽命
一個(gè)大功率系統是由幾個(gè)部件組成的，如：電容、電感、傳感器、控制板、驅動(dòng)單元，當然還有功率模塊。所有這些都有一個(gè)有限的使用壽命，當它們不能很好地滿(mǎn)足應用時(shí)，就會(huì )成為故障的來(lái)源。出于這個(gè)原因，在選擇組件之前，了解它們在特定工作條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，為了估計它們的壽命，有必要在實(shí)際條件下計算變換器運行期間的循環(huán)負荷。使用實(shí)驗平臺和長(cháng)期運行的系統來(lái)估計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)現和長(cháng)時(shí)間的測試。這就是為什么使用仿真工具這一不同方法，幫助用戶(hù)加速和簡(jiǎn)化壽命計算。
為了簡(jiǎn)化工業(yè)制造商設計過(guò)程中的這一步驟，英飛凌功率仿真平臺（IPOSIM）提供了自動(dòng)壽命估算這一全新的高級功能?，F在，設計人員可以根據他們的應用要求，以數字方式估算功率模塊的壽命。
IPOSIM壽命評估服務(wù)是一個(gè)完全自動(dòng)化的過(guò)程，它綜合了我們所有的半導體專(zhuān)業(yè)知識，結合了最先進(jìn)的方法和先進(jìn)的編程知識。這項服務(wù)使設計人員能夠在線(xiàn)獲得英飛凌的電力電子技術(shù)，24/7，并根據需要頻繁使用。
圖1 自動(dòng)化的壽命估計過(guò)程
這個(gè)過(guò)程（圖1）從所需的工況、冷卻條件和要評估的功率模塊等相關(guān)信息開(kāi)始?？紤]到這些信息，估計設備壽命的計算將在IPOSIM中自動(dòng)運行。一旦完成，用戶(hù)可以下載一個(gè)定制的PDF報告，其中包含最相關(guān)的結果，包括所選器件的可能循環(huán)次數。
在為牽引應用選擇正確的功率模塊時(shí)感到困惑？現在不會(huì )了。
讓我們想象一下，我們正在設計一個(gè)用于牽引應用的功率變換器。我們已經(jīng)選擇了一個(gè)拓撲結構，確定了工作條件，定義了冷卻條件，并且我們發(fā)現我們需要一個(gè)具有以下額定值的功率模塊（1.7kV@1.2kA）?，F在是時(shí)候決定哪種功率模塊最適合這一應用了。
對于這個(gè)例子，我們將做一些假設，只是為了簡(jiǎn)化設計過(guò)程。讓我們假設唯一可以使用的封裝是PrimePACK?。經(jīng)過(guò)若干技術(shù)考慮，以下三個(gè)型號是我們的候選器件。
1.FF1200R17IP5
2.FF1400R17IP4
3.FF1500R17IP5R
工況是什么？好吧，讓我們假設火車(chē)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(wàn)個(gè)周期。圖2描述了列車(chē)運行的標準周期的工況，轉化為電力電子變量。
圖2 牽引應用的工況
我們使用IPOSIM壽命估計服務(wù)來(lái)估計這三個(gè)型號的壽命。一旦分析結束，IPOSIM就會(huì )生成一份PDF報告，強調最相關(guān)的結果，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(guò)溫度結果，我們可以驗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功率模塊的牽引應用的仿真結果
選擇正確的功率模塊。
我們已經(jīng)看到了一些顯著(zhù)的結果；然而，我們還沒(méi)有根據循環(huán)次數的標準選擇正確的器件。這就是為什么報告包括一個(gè)最終的表格，總結了每個(gè)器件可能的循環(huán)數。下表顯示了被評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達到了預期的周期數（>10k周期）。必須指出的是，FF1400R17IP4沒(méi)有產(chǎn)生仿真結果。原因是在評估的條件下，這個(gè)功率模塊的溫度增加超過(guò)了最大限值，因此，壽命沒(méi)有計算出來(lái)。
如何開(kāi)始使用壽命評估
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計階段快速、精確地做出決策，為設計團隊節省時(shí)間和精力。這項服務(wù)從電力電子設計中最常用的拓撲結構之一開(kāi)始，包括基于模塊的三相兩電平逆變器。其他拓撲結構也將在不久的將來(lái)導入仿真工具。
來(lái)源：英飛凌
原創(chuàng )：Jaime Zapata
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