《Microelectronics Reliability》：Influence of high frequency power cycles on SiC power module lifetime under automotive mission profile
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SiC功率模块因高频热循环导致传统寿命估算方法误差显著，本文提出基于瞬时电流波形的精确热循环建模方法，结合雨流计数算法分析40K温差和>10Hz频次的复合热应力对模块寿命的影响，实验表明未考虑高频热循环将导致寿命高估超10倍。
Bernardo Cougo | Israel Divan | Duc-Hoan Tran | Lenin M. F. Morais | Vitor Araujo | Renata Oliveira de Sousa | Marina Labalette | Valeria Rustichelli | Caio C. O. Mendes | Bruno Condamin | Fabio Coccetti
IRT Saint Exupéry，图卢兹，法国
摘要
与硅基MOSFET相比，相同额定功率下的SiC MOSFET具有更高的热阻抗。因此，在AC/DC或DC/AC应用中使用时，其在接近50 Hz的频率下可能会经历高达40 K的温度变化。这种由功率循环引起的温度变化可能会缩短使用SiC晶体管的电源模块的寿命，而硅基电源模块则不会出现这种情况。目前，这些高频功率循环在SiC电源模块的寿命估算模型中建模不足，也很少被考虑。本文介绍了一种方法，可以在使用汽车任务剖面估算SiC电源模块寿命时考虑这些高频功率循环。任务剖面用于生成整个任务期间流经电源模块的代表性电流波形。因此，基于精确的瞬时损耗估算和准确的热阻抗模型，可以计算出每个开关周期内的瞬时SiC芯片温度。最终得到的结温剖面包含了与流经SiC芯片的正弦电流相同频率的功率循环。然后利用文献中的寿命模型来展示这种“高频”功率循环对SiC电源模块总寿命的影响。结果表明，如果不考虑这些高频功率循环，使用经典寿命模型估算的SiC电源模块寿命可能会被高估10倍以上。
引言
高性能的AC/DC或DC/AC电源转换器现在通常使用SiC MOSFET或GaN HEMT等晶体管制造。在电动汽车应用中，动力系统通常由400或800 V的三相逆变器组成，目前主要采用SiC电源模块进行设计。这些组件的损耗较低（相比传统的IGBT基电源模块），从而节省能源并提高电池续航里程。然而，含有SiC MOSFET的电源模块的可靠性低于使用传统IGBT技术的模块，这主要是由于与热循环相关的故障[1]。
热循环主要是由半导体内部的损耗引起的[2]，它是导致电源模块寿命缩短的最关键因素。这些重复的热梯度会在芯片互连层面产生机械应力，最终导致机械故障[3]。在SiC MOSFET中，这种现象更为严重，因为对于相同的额定电流和电压，SiC芯片的尺寸明显小于Si-IGBT芯片[4]，因此其热阻抗更高，温度摆动幅度也更大。
在之前的研究中，已经证明在逆变器输出电流期间，用于三相逆变器的SiC芯片的温度变化非常大（25 K或更高）[5]。这种温度变化非常频繁（每几十赫兹），可能会显著缩短含有此类SiC晶体管的电源模块的寿命。
然而，在汽车动力系统等应用中，估算电源模块寿命时通常不考虑这种“高频”温度变化。然而，[6]中的作者表明，这些高频热循环会对由IGBT+二极管组成的逆变器的寿命产生显著影响（寿命差异超过1000倍）。
与[6]中的工作不同，本文展示了这些高频循环在基于SiC的电源模块中的重要性。此外，我们使用了ARCHIMEDES项目合作伙伴定义的任务剖面。该剖面基于著名的全球统一轻型车辆测试程序（WLTP），并添加了一些内容以考虑车辆在高速公路和山路上行驶的行为。
这种任务剖面数据的时间采样间隔为0.1到1秒，然后与电动机模型一起使用，以计算电动机所需的电流的有效值（RMS值）。通过适当的电热模型，可以计算出任务剖面中每个点（每0.1秒采样一次）的平均导电损耗和开关损耗以及芯片温度。然后可以使用雨流算法（Rainflow algorithm）来计算不同幅度、平均温度和频率下的热循环次数[7]。利用电源模块寿命模型（通常基于Coffin-Manson方程）和计算出的循环次数，可以使用Miner's Rule[7]来计算任务剖面中的总损伤。通过这个值，可以计算出给定任务剖面下电源模块的总寿命。
需要注意的是，这种传统方法是通过以0.1秒的时间步长计算温度变化来实现的，它无法考虑与流经电动机和电源模块的正弦电流相同频率的热循环。如[5]、[7]、[8]所示，这些与电动机电流频率相匹配的热循环对SiC电源模块的影响可能非常显著，可能会显著缩短其寿命。
本文部分内容已在[9]中提出，展示了如何修改传统的寿命估算方法以在估算电源模块寿命时考虑这些高频热循环。第2节介绍了如何根据任务剖面计算实际电流波形（而不是其有效值），从而可以准确计算电源模块内SiC芯片的瞬时损耗，从而更准确地评估这些组件中的高频热循环。
第3节介绍了用于考虑这些高频循环的雨流计数算法。最后，第4节展示了所提出方法对电源模块寿命估算的影响。尽管现有的电源模块寿命模型（基于Coffin-Manson方程的模型）对于低幅度（<40 K）和高频率（>10 Hz）的热循环不够准确，但结果清楚地显示了这些条件对模块寿命的显著影响。
节选内容
从经典任务剖面数据生成高分辨率值
如图1所示，传统的电源模块寿命估算方法使用电动机模型中的速度和扭矩曲线来计算电动机电流的有效值。该电动机模型还提供了电动机速度，从而得到电动机电流频率_F_m，如图2中的第二个图表所示。需要注意的是，_F_m值与电动机速度密切相关，而_I_mRMS主要与电动机扭矩值相关。
我们的想法是利用这些值来创建...
用于高频功率循环的雨流计数算法
雨流算法是最常用的工具，用于计数和分类热循环[5]、[7]。它们仅应用于温度的极端点（峰值和谷值），以计算导致电源模块不同部分疲劳损伤的应力-应变滞后环。在传统的任务剖面中（如图2所示），任务剖面的时间步长为0.1秒，因此只计算并使用“低频”热循环来确定组件寿命。
高频功率循环对SiC电源模块寿命的影响
用于计算SiC电源模块寿命的主要寿命模型是[1]中提出的模型，该模型基于[13]的结果制定。只需使用每个Δ_T_j计数的循环次数（如图7所示），并将其除以寿命模型中每个Δ_T_j的“循环次数”值，就可以得到每组循环对给定Δ_T_j造成的损伤。图8展示了这种损伤，结果显示：
•使用低...
结论
本文提出了一种在SiC电源模块寿命估算中考虑高频热循环的方法。
为此，提出了一种基于汽车任务剖面计算SiC电源模块瞬时结温的方法。该方法得出的结温剖面包含了长期和短期的热循环。
本文展示了高频热循环对SiC电源模块寿命估算的影响。
CRediT作者贡献声明
Bernardo Cougo：概念化、方法论、软件开发、验证、数据分析、撰写-原始草稿准备、审稿和编辑、可视化；
Israel Divan：软件开发、验证、数据分析、撰写-原始草稿准备、审稿和编辑、可视化；
Duc-Hoan Tran：可视化、数据分析；
Lenin M. F. Morais：监督；
Vitor Araujo：软件开发；
Renata Oliveira de Sousa：形式分析、撰写-
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究工作得到了Key Digital Technologies Joint Undertaking（KDT JU）ARCHIMEDES项目的支持，该项目隶属于Horizon Europe和各国政府，项目编号为101112295。
