IGBT疲劳老化失效剩余使用寿命预测的研究

绝缘栅双极晶体管所需驱动功率小,具有小的导电电阻和小的驱动电流等优点,已被广泛应用于电动车,铁路机车和新一代飞机等方面,尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛,但其有限的负载循环次数使其可靠性成为了问题,而IGBT的可靠性直接影响这些车辆系统的可靠性和性能。近年来,关于IGBT的可靠性,故障模式和老化分析的一系列研究工作已经得到了广泛的开展。尽管研究了IGBT的可靠性,失效模式等效应,对IGBT的剩余使用寿命预测仍是IGBT健康管理系统工作的关键,并且适宜IGBT的剩余使用寿命算法变得越来越重要。本文首先通过IGBT模块的内部结构和各种工作特性的深入总结讨论,总结在IGBT模块实际应用中的常见的失效,总结了IGBT的失效的根本原因是并与外部操作环境作用导致内部疲劳逐渐积累的结果。并建立了IGBT电路模型,仿真IGBT的老化过程器件对其所在电路影响以确定合适应力。然后从IGBT加速老化原理出发,重点设计了硬件平台架构,完成了占空比可调的IGBT驱动电路模块的设计,并以集射极电压作为健康因子,纪录老化时长,对数据进行处理,针对数据的特点及IGBT老化过程的随机性,通过五种随机过程模型对老化阶段的数据进行的随机过程模型的拟合,并采用参数估计方法得到模型参数的最优值完成分布模型的表征,通过这五种分布模型的以模拟IGBT老化过程阶段。进而提出剩余使用寿命预测流程,在这里针对两组不同状态下的IGBT模块数据,使用五种随机过程模型,结合随机数模拟方法产生各个老化阶段时长单元,进而结合离散数据特性推导寿命预测的表达式。预测IGBT的剩余使用寿命各个时间段的寿命特征值,并用均方根误差进行分析比较两种器件的剩余寿命预测结果的准确性,分析得出不同模型预测结果发现不同模型剩余使用寿命预测的中位数和均值具有不同的精度,不同的模型还在寿命预测上对不同的IGBT具有不同的精度,分析发现数据适合于拟合五种模型,不同模型的预测结果都有自己的特点。预测误差也在可接受的合理范围之内,验证了该预测方法的合理性。并且反向验证了其老化过程的随机性及证明了老化数据建模的可行性,采取的两组对照组、五种随机模型尽可能减少老化阶段,设定合理的随机数循环次数,从而达到预测算法速度、精度、可行性的折中。后续研究可基于应用传感器技术上对不同预兆参数的剩余寿命预测,同时发展加速老化实验设计,使其达到测试应力全覆盖,而且减少设备要求和操作难度,以及从材料和数学的角度正向证明老化的随机性以及证明是否所有随机模型都能适合于分布建模,从预测算法的可行性及效率精度进一步优化,可以进一步借鉴锂离子电池中的粒子滤波算法等,对于瞬间失效预测问题的解决方法可以从电路的角度考虑。