一、IGBT 寿命预测技术
IGBT寿命预测技术轨道交通用IGBT装置在实际应用中必须受到极高的电应力、极端环境的温度和剧烈的机械影响。相对于工业用IGBT器件而言，具有特殊的负载特性和复杂的运行环境，所以，对芯片和封装的安全性有很大的要求。在Si基IGBT芯片和宽禁带半导体C芯片的内部构造、技术和原料等领域的逐步改进，芯片损坏、安全工作区域、纳米银烧结、超声波焊接、底板键合等技术在器件封装中的应用等电学特性已能满足不断发展的变流器需求，器件寿命也得到显著提高。与封装相关的器件寿命受到越来越多的关注，因为目前，国内的动车和汽车已进入了一个先进的修理，而精确地评价IGBT器件的寿命可以降低整个车的全寿命周期的运行费用。IGBT器件寿命的作用来自于包装材料，由于晶片加热而导致的热应力、热膨胀系数的变化。在机汽车开始后，IGBT芯片的结温与周围温度是相同的。，随着机车加速、减速、过相、停站等状态的变化，芯片导通和开关过程中产生的损耗使结温升高和降低；机车熄火后，结温降至环温；在正常运行的机车上，其结温变化幅度较小，且次数较多；机车在起停时结温变化较大，且次数较少。不同的型号IGBT器件在电学特点、封装原料和结构、功率模式设计、散热系统、控制方法、运用状态等上存在差异，使得IGBT器件在相同的车辆中存在着不一样的温度变化趋势，同时IGBT器件用于脉冲整流器和逆变器的结温变化也不尽相同，对器件的寿命预测提出很大的挑战。IGBT器件寿命预测技术针对轨道交通用IGBT器件，从寿命失效原理、寿命计算方法、寿命预测过程等几个角度进行详细介绍；对国内外有关研究工作的检索，对目前技术所面对的问题进行归纳，并对问题提出以后技术发展的方向的前瞻。轨道交通通用IGBT器件的寿命预测技术基于目前的研究成果。
二、存在的问题
2.1寿命预测结果受应用场景的影响
寿命预测的结果受实际使用情况的影响与其所用的地铁车辆运行曲线、没有固定运行曲线的机车、高铁等车辆、不同的车型运行曲线等因素的影响也有差别。功率模块的设计不一样，设备的选择不一样，不同的车型控制策略也会有差别；脉冲整流器、变频器IGBT器在相同的车辆中所使用寿命不同，缺乏统一的寿命预测结果。
2.2IGBT器件的结温曲线难以精确测量
IGBT器件的结温曲线是器件寿命预测的依据，不能用于IGBT器件在在线运行中使用。无法使用结温直接测量法进行测量，如接触法、红外热成像、温敏参数法、结温模拟和实际数值存在一定的偏移，导致了设备的使用寿命的结果不精确。
2.3设备不断损耗原因
由于器件疲劳老化不能充分考虑，其损耗增大，热阻增大，结温升高，导致器件的寿命缩小。现有的数值模拟结果表明，寿命预测结果存在偏差，因为器件的饱和压降和热阻并没有随着应用而改变，也没有考虑到疲劳迭代的影响。
三、技术发展方向预测
行业专家针对目前轨道交通通用IGBT器件寿命在预测技术中存在的问题时，提出采用智能驱动、大数据研究、人工智能、状态探测等能力，以对IGBT设备的情况和剩余寿命。
3.1智能驱动技术
FLASH中将存储智能驱动并且运用FPGA中存储的由于损耗模型、热网络模型、功率模块热网络模型、雨流计数统计、功率/温度循环曲线等与IGBT寿命相关模型等，对存储数据进行计算。得出器件破坏程度，并在SDRAM中进行累计计算存储；通信界面读取或指示灯光预警，可以实现在线IGBT器件的寿命预测，实现器件的整体损伤程度。Flash定期删除所采集的数据，以获得高解析的数据和处理，保证计算精度的准确性。智能驱动能有效地解决机车运行曲线、应用情况、IGBT器件和功率模块的变化引起的器件寿命差别，并能对各个联机IGBT器件的寿命进行预测。
3.2大数据分析与人工智能技术
现在，我国已经统计了许多包含IGBT器件性能变化规律和故障信息的动车、机车运行维护数据，为大数据分析与人工智能技术的开展供应了基本条件。在线IGBT器件健康状态信息库是统计资料，利用故障原理研究，退化因素挖掘，退化功能测试，专家数据库等方法，可以实现IGBT设备的实现剩余寿命评价。
3.3IGBT器件状态检测技术
根据IGBT器件寿命失效模式，经IGBT器件状态监测和IGBT器件寿命评价，国内外研究学者已有一定成果。如对IGBT器件栅极电容的检测，对键合线脱落的监测，器件阻抗变化；器件焊料的疲劳程度通过器件的等效热阻监测，通过芯片表面温度的变化监测。当温度上升时，IMC厚度增多，从岛连接到表面上，厚度也随之增大。该IMC层具有脆性，在一定程度上成长就会产生龟裂现象，从而导致生命不能持续。所以，无需对设备的使用、使用时间等具体的应用状况进行分析，即可直接探测IGBT焊层寿命的状态，进而构建焊锡IMC厚度与寿命故障之间的关系。
四、结束语
IGBT器件寿命预测技术是当前研究的热点，由于其负载特性特殊，运行环境复杂，在轨道交通用IGBT器件的研究中目前，该技术的困难还比较多。基于IGBT设备的寿命故障原理及寿命模型，提出基于IGBT设备的寿命故障原理。得出适合于计算轨道交通IGBT器件寿命的方式。相关国内外研究结果表示，基本相同的轨道交通用IGBT器件寿命研究方法，研究仍有着不全面性，目前尚未发现其结果。文章对于当前面临的问题和挑战，提出在轨道交通IGBT器件寿命预测中应用采用智能机动、大数据、人工智能分析、状态检测等技术，来提升寿命预测精度。
参考文献
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[2] 谌娟,于凯,安军鹏.CRH5型动车组用IGBT器件寿命评估[J].电工技术,2021(22):102-104.
