3.6.1
DIPIPM™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。
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
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
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
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。
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
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。
图8 电梯门机的机械结构
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。
