你的功率模块能在应用中运行多长时间？

作者；Jaime Zapata-Amores

功率模块是大功率电力电子系统的核心部件。因此，它们的寿命对最终产品的可靠性有重要影响。为了了解真实的工况如何影响功率模块，必须进行复杂的模拟仿真，由于工况文件冗长且复杂多变, 往往将仿真工具和方法推到极限。出于这个原因，在仿真方法和半导体特性方面需要高水平的专业知识。了解功率模块在实际使用情况下的行为对选择正确的功率模块，进而对系统成本、可靠性和优化均有积极的影响。

功率模块的寿命就是功率系统的寿命

一个大功率系统是由几个部件组成的，如：电容、电感、传感器、控制板、驱动单元，当然还有功率模块。所有这些都有一个有限的使用寿命，当它们不能很好地满足应用时，就会成为故障的来源。出于这个原因，在选择组件之前，了解它们在特定工作条件下的行为是非常重要的。

功率模块也不例外，它们的寿命与它们的工况是紧密相连。因此，为了估计它们的寿命，有必要在实际条件下计算变换器运行期间的循环负荷。使用实验平台和长期运行的系统来估计功率模块的寿命是可能的。然而，这种解决方案需要硬件实现和长时间的测试。这就是为什么使用仿真工具这一不同方法，帮助用户加速和简化寿命计算。

为了简化工业制造商设计过程中的这一步骤，英飞凌功率仿真平台（IPOSIM）提供了自动寿命估算这一全新的高级功能。现在，设计人员可以根据他们的应用要求，以数字方式估算功率模块的寿命。

IPOSIM寿命评估服务是一个完全自动化的过程，它综合了我们所有的半导体专业知识，结合了最先进的方法和先进的编程知识。这项服务使设计人员能够在线获得英飞凌的电力电子技术，24/7，并根据需要频繁使用。

图1 自动化的寿命估计过程

这个过程（图1）从所需的工况、冷却条件和要评估的功率模块等相关信息开始。考虑到这些信息，估计设备寿命的计算将在IPOSIM中自动运行。一旦完成，用户可以下载一个定制的PDF报告，其中包含最相关的结果，包括所选器件的可能循环次数。

在为牵引应用选择正确的功率模块时感到困惑？现在不会了。

让我们想象一下，我们正在设计一个用于牵引应用的功率变换器。我们已经选择了一个拓扑结构，确定了工作条件，定义了冷却条件，并且我们发现我们需要一个具有以下额定值的功率模�[email protected] ）。现在是时候决定哪种功率模块最适合这一应用了。

对于这个例子，我们将做一些假设，只是为了简化设计过程。让我们假设唯一可以使用的封装是PrimePACK™。经过若干技术考虑，以下三个型号是我们的候选器件。

1.FF1200R17IP5
2.FF1400R17IP4
3.FF1500R17IP5R

工况是什么？好吧，让我们假设火车的往返行程大约需要两个小时，我们需要保证至少有一万个周期。图2描述了列车运行的标准周期的工况，转化为电力电子变量。

图2 牵引应用的工况

我们使用IPOSIM寿命估计服务来估计这三个型号的寿命。一旦分析结束，IPOSIM就会生成一份PDF报告，强调最相关的结果，如图3所描述的。功率损耗使我们能够了解到变换效率。通过温度结果，我们可以验证所选器件是否适合我们的冷却条件，并保证在整个工况中的正常运行。最后，柱状图描述了取决于温度波动的寿命消耗。

图3 使用FF1500R17IP5R功率模块的牵引应用的仿真结果

选择正确的功率模块。

我们已经看到了一些显著的结果；然而，我们还没有根据循环次数的标准选择正确的器件。这就是为什么报告包括一个最终的表格，总结了每个器件可能的循环数。下表显示了被评估的器件之间的比较。

可以看出，即使这三个器件在相同的电气的额定值下工作，只有FF1500R17IP5R达到了预期的周期数（>10k周期）。必须指出的是，FF1400R17IP4没有产生仿真结果。原因是在评估的条件下，这个功率模块的温度增加超过了最大限值，因此，寿命没有计算出来。

如何开始使用寿命评估

在这篇短文中，我们解释了IPOSIM寿命估算服务是如何以及为什么能够在设计阶段快速、精确地做出决策，为设计团队节省时间和精力。这项服务从电力电子设计中最常用的拓扑结构之一开始，包括基于模块的三相两电平逆变器。其他拓扑结构也将在不久的将来导入仿真工具。