浅谈DIPIP的健康管理

讲座导语

DIPIPM是双列直插型智能功率模块的简称，由三菱电机于1997年正式推向市场，迄今已在家电、工业和汽车空调等领域获得广泛应用。本讲座主要介绍DIPIPM的基础、功能、应用和失效分析技巧，旨在帮助读者全面了解并正确使用该产品。

3.6DIPIPM的健康管理

3.6.1DIPIPM的功率循环寿命

通过前面的DIPIPM应用系列讲座，我们了解了DIPIPM工作原理､内部结构､选型原则､驱动电路设计要点､PCB设计要点及应用评价方法等，所有这些内容目的都是为了让DIPIPM在实际应用装置中长期健康地工作，如果我们的设计足够优秀，没有任何瑕疵，是否意味着DIPIPM可以一直工作呢？如果存在寿命，那么寿命怎么来计算呢？带着这些问题，小编采访了三菱电机应用技术专家（大师，叫大师），希望能够就DIPIPM健康管理方面给大家带来一些启发。

为什么要对DIPIPM进行健康管理，健康管理包含哪些内容？

叫算命是不是太肤浅了？

功率半导体生命的尽头是什么？

唯炸鸡和啤酒不可辜负也。

DIPIPM的一生是勤劳的一生。他从三菱电机的工厂诞生就开始为人们的美好生活而努力奋斗。或节能减排，或提升效率。与此同时还要承受过压､过流､噪声､浪涌的各种冲击。如果他能熬过所有的这一切，最终迎接它的是热疲劳损坏。

一般情况下，功率半导体的热疲劳损坏分为功率循环寿命损坏和热循环寿命损坏。其本质是功率半导体模块的各层材料在温度变化时，由于热膨胀系数不同，产生热膨胀梯度不同，进而产生连接老化开裂的现象。

图1为普通半导体模块的剖面构造图。其中红色标注的部分为影响模块寿命的连接点。结合表1中的各种材料热膨胀系数。我们可以发现无论是功率循环寿命还是热循环寿命，损坏点上下两层材料的热膨胀系数都是相差非常大的。

图1    普通功率半导体剖面构造图

表1    不同材料的热膨胀梯度

那么，DIPIPM是普通功率半导体模块么？

当然不是！

自从2007年的第4代DIPIPM开始，三菱电机就开始采用绝缘导热垫片作为绝缘散热材料，就像图2这样。绝缘导热垫片本身是一层软性的树脂材料，它在高温高压下和上下两层铜箔“粘合”在一起形成一个整体。这种结构使得DIPIPM在传统意义下的热循环寿命远远高于功率循环寿命。所以在DIPIPM的循环寿命评估中只需要考虑功率循环寿命。

图2    DIPIPM内部结构

功率循环寿命到期了会怎么样？

会裂开

图3是功率半导体在运行过程中各个关键温度的变化示意图。一般情况下，我们比较关心的是器件的结温(Tj)和壳温(Tc)。嗯，DIPIPM也包含在内。

图3    功率半导体中的温度变化

该示意图中包含了两种运行模式。

1．壳温(Tc)变化很小，但结温(Tj)变化频繁。此工作模式下的寿命称为功率循环寿命，对应的损坏称为功率循环寿命损坏，它对应的是结温的变化(ΔTj)。

2．电力电子系统从起动到停止的过程中，功率半导体模块的壳温(Tc)会发生比较稳定的大幅度变化。此工作模式下的寿命称为热循环寿命，对应的损坏称为热循环寿命损坏，它对应的是壳温的变化(ΔTc)。对于DIPIPM而言，壳温变化依然存在，但是并不会发生热循环寿命损坏。是不是很厉害？觉得厉害的扣1

图4    功率循环寿命试验导致绑定线接合部开裂

如果一颗DIPIPM能有幸熬过了所有的过压/过流/过热之后，就会像图4那样绑定线接合部开裂而寿终正寝。

为了描述这种模式下的循环寿命，功率半导体厂家会提供根据不同Al绑定线键合工艺给出不同的功率循环寿命曲线。就像图5这样。

图5    DIPIPM的功率循环寿命曲线

这条寿命曲线是怎么来的呢？

熬夜熬出来的！

这条寿命曲线是基于Tjmax=125℃、故障率1%的测试条件，将ΔTj=46/88/98℃下的测试数据连线并延长后得到的衰减曲线。0.1%和10%的曲线是通过韦伯分布(Weibull distribution)计算出来的。

特别是ΔTj=46℃的条件。温差小，循环次数多。整个功率循环实验可能会持续非常长的时间。说是熬夜熬出来的也不算太过分。

那么这条寿命曲线应该怎么理解呢？

敲黑板，这是重点。

还是以图5为例，如果我们有10000台设备都是用了三菱的DIPIPM。单次运行温差ΔTj为70℃，那么：

a.完成20000个周期后，DIPIPM的故障率约为0.1%

b.完成30000个周期后，DIPIPM故障率约为1%

c.完成50000个周期后，DIPIPM故障率约为10%

简单来说，随着运行时间的增长，器件的损坏越来越多。这既符合我们的生活常识，也很符合描述半导体损坏率的浴缸曲线。如图6 E-F段所示。

图6    半导体器件损坏率曲线

另外一个需要提到的点是这样的。虽然这条寿命曲线一直向上延伸直到ΔTj<30K，甚至可以继续向上延伸到ΔTj=10K。但是在实际应用中，我们倾向于使用ΔTj>20K的部分。主要有两个原因：

1．经验表明，在小ΔTj的情况，器件的实际能力比曲线要高得多。

2．过小的ΔTj会导致计算困难。例如在图7中，如果ΔTj2过小，我们会重点分析ΔTj1而忽略ΔTj2。因为我们很难知道单次运行中类似的小波动出现了多少次，也很难知道在整个设备的运行周期里，这样的小波动会出现多少次。

图7    运行中的ΔTj选择

3.6.2

电梯门机应用中DIPIPM的健康管理

能不能举个栗子演示一下怎么用这个功率循环曲线？

当然可以，比如电梯门机。

为什么要用电梯门机来解释这个功率循环曲线呢？因为电梯门机是一个工况固定的往复运动。也是少数几个能在实验室里能对主要工况进行完全模拟的工业应用。

先解释一下，电梯门的结构。一般说的电梯门其实是分为两道门，厅门和轿门。其中厅门没有动力，开门的动力来自轿门上门机变频器。门机变频器控制电机，再通过钢丝绳连接到轿门和门刀上。而厅门则由门刀传递动力进行开门。图8是电梯门机的局部图。图中可以看到钢丝绳，门刀和轿门。

对于门机变频器而言，其主要有3种工作状态。

1. 控制门板进行正常开关门。这里要顺带说一下电梯门机是怎么检测夹人的。轿门和厅门上会有多种结构来检测挡门的动作，比如活动挡板或者红外线感应收发器等。如果有人挡门，上述传感器会动作并告知门机变频器。门机变频器会立马从关门状态转为开门状态，以保证乘客的安全。这样的一个循环仍然会被视为一次正常的开关门过程，原因是在这个过程中没有因为堵转而加大电流。

2. 如果上述传感器没有信号，但是门机变频器通过编码器发现电机转不动。它会尝试增加电流加大关门力度。如果还不行则放弃关门。这个过程中电机处于堵转状态，需要特别重视。

3. 电梯门关门到位以后，门机变频器会给门提供一个比较小的力，确保门板处于关闭状态。这时候电机也是处于堵转状态，但是电流远小于上述第二种工况。而且也存在ΔTj过小导致计算困难问题。所以一般情况下就不考虑了。

接下来我们来看一个实际的案例。所用功率器件为SLIMDIP-S。感谢中国计量大学校友提供仿真条件。

工况1(正常开关门)：Vcc=300V, Ic(rated)=1.2Arms, fc=10kHz, fo=50Hz, PF=0.99, M=1, Ts(max)=90℃。仿真结果如图9所示。

图9    电梯门机正常运行仿真

可见在单次运行中，IGBT的平均结温可以达到107.33℃。对应的ΔTj为6.2℃。根据功率循环曲线，对应寿命已经远超10M次0.1%损坏率。

那这个循环次数是否能满足电梯开关门的需要呢？答案是可以的。

假设电梯门一分钟开1次/关1次，每日工作12小时，全年工作365天，工作10年。对应的循环次数为：10年x365天/年x12小时/天x 60分钟/小时x 4次/分钟=10.4M次

工况2(关门堵转)：Vcc=300V, Io=2.4Arms, fc=10kHz, fo=50Hz, PF=0.99, M=0.1, Ts(max)=90℃

工况3(关门保持)：Vcc=300V, Io=1.2Apeak, fc=10kHz, fo=50Hz, PF=0.99, M=0.1, Ts(max)=90℃

仿真结果如图10所示。

 

图10    电梯门机关门堵转和关门保持仿真

需要说明的是关门堵转的工况并不会每次关门都出现，只是属于意外情况。所以一般只要求器件能够承受单次运行导致的冲击即可。对于SLIMDIP-S来说，其最大结温为150℃，关门堵转的125.5℃可以轻松承受。

好吧，现在的电梯门机系统，主流使用的器件是10-15A的DIPIPM。但是事实上5A的器件也已经可以提供充足的余量了。有兴趣的可以找我聊聊。

关于三菱电机

三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。在2022年《财富》世界500强排名中，位列351名。截止2022年3月31日的财年，集团营收44768亿日元（约合美元332亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有60余年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。

审核编辑：汤梓红