学术简报｜基于MOSFET外特性参量的自适应模糊神经网络状态评估模型
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、国网四川省电力公司成都市青白江供电分公司、重庆车辆检测研究院有限公司的研究人员王月月、陈民铀等，在2018年第18期《电工技术学报》上撰文指出，焊料层疲劳脱落是功率器件主要的失效形式之一，准确的焊料层失效评估方法对提高系统可靠性尤其重要。
本文以广泛应用于电力电子系统的MOSFET为研究对象，在驱动电压一定的条件下建立以导通电阻、壳温及电流为主特征参量的功率器件健康状态评估模型。
首先，以器件的电-热多场耦合模型为基础研究不同健康状态时功率器件的电、热特性；然后，对比分析不同特征参量对焊料层疲劳响应的灵敏性，结果表明在相同工况下导通电阻增量的灵敏性更优；最后，以特征参量间的泛在关系为基础开展状态评估研究，同时引入导通电流、壳温来表征工况，建立基于自适应神经模糊推理系统（ANFIS）的考虑器件运行状态的健康状态评估模型，预测器件老化率，划分健康状态等级区间，实现对器件运行状态的有效预测、评估。
该评估方法监测数据提取较为容易，准确度高，并易于工程实现，能对器件正确合理使用、状态检修等工程实际应用提供指导。
功率器件作为航空航天、风力发电、地铁牵引等电力电子系统的核心部件，在实际运行中，器件长期承受复杂的功率、温度交变循环，因器件材料异构以及热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）不匹配，波动的温度在各层材料上产生交变热应力。
器件在服役过程中长期承受温度、应力作用，因损伤累积效应，导致焊料层疲劳老化或键合线脱落，从而引起器件电、热参数等外特性变化。因疲劳损伤累积效应，器件内部老化逐渐加剧，其健康状态日趋恶劣，严重影响系统安全、稳定运行。
目前，寻找合理有效的健康状态评估方法指导维修计划安排，可降低系统故障率、增加设备有效运行时间，是学术界和工业界广泛认可的提高电力电子系统可靠性的手段之一。
因工作环境的复杂多变性，实际运行工况会随时发生变化，而功率器件的外特性参量同时取决于内部的老化程度以及运行工作点的改变，参量较多且变化情况复杂增加了器件状态评估难度。目前，针对功率器件疲劳损伤评估和状态监测等开展了大量研究。
文献[10]探讨了焊料层老化对IGBT模块热-力性能的影响，并提出基于温度梯度统计特性的失效监测方法，其需去掉封装外壳采用红外摄像仪提取器件内部温度分布，该模型很难在实际运行中实现。英国华威大学从电气参数角度对变流器输出低频谐波的含量进行监测实现焊料层状态评估，该模型中很难提取功耗且灵敏性较差。
大数据处理技术的发展与应用为功率器件的状态评估以及可靠性分析提供了新的研究思路，利用器件的历史、大量运行数据，引入人工智能算法，充分挖掘海量数据隐含信息，开展在线监测和可靠性研究，摸索出更广泛、适宜的数据处理方式。
文献[13]提出基于GA-BP算法作为IGBT模块状态评估黑箱模型，以器件电气参数作为模型输入量，壳温作为输出，获取模块在服役过程中的运行参数，通过预测值与正常值进行对比从而判断模块是否异常。其缺点在于影响壳温因素较多如工作点、环境温度变化及散热器老化均会影响壳温值，且文献结果中显示灵敏性较差。
文献[14]提出以静态神经网络算法对全桥二极管整流器中器件状态进行监测，通过理论值和实测值间差异对比实现器件状态评估。目前，针对功率器件状态评估主要是通过单一特征参量，计及多参数影响的可靠性分析考虑较少。
由于焊料层为器件功率损耗发热和电流流通提供了主要的导热、导电路径，因此该层结构疲劳脱落，会对器件的热阻和电阻产生较大影响，从而引起相应的电热力特征参量发生变化。本文以特征参量数据间的泛在关系为基础开展状态评估和可靠性研究，给器件的正确合理使用、状态检修工作等工程实际应用提供指导，建立功率器件在线监测模型，对提高系统安全性、可靠性有着重要意义。
本文以应用广泛的MOSFET为研究对象，建立多物理场耦合模型。首先，针对器件主要失效模式的焊料层老化失效，利用有限元仿真模型，计算分析焊料层不同脱落程度下电、热特征参量变化规律。
其次，通过对外特征参量进行提取筛选，分析不同特征参量对焊料层疲劳响应的灵敏性，结果表明导通电阻增量的灵敏性更优，以此选取能有效反映器件运行状态的特征参量（导通电阻Rds、壳温Tc、漏极导通电流Id），减少参量的重复性和冗杂度，降低对监测数据提取的难度。
再利用自适应神经模糊推理系统（Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System, ANFIS）对特征参量进行分析处理，根据器件老化演变规律，预测器件老化率，划分健康状态等级区间，实现对器件运行状态的有效预测、评估。
该方法不需要改变器件内部封装结构、获取较难测量的结温Tj，只需要通过对Rds进行监测并联系实际运行工况即可判断器件当前的健康状态，该方法便于操作实践，易于工程实现。
图1 MOSFET器件封装结构截面
本文根据建立的MOSFET电-热-力有限元模型，通过分析焊料层失效时的电、热特性变化规律，提出了基于导通电阻的器件健康状态评估模型，得到了如下结论：
1）随着焊料层脱落程度的增加，器件结、壳温度明显升高，温度波动变大，导通电阻增大明显，该特性变化是器件电-热多场耦合的正反馈效应。
2）当器件损伤老化累积到一定程度后，器件将处于应力集中阶段致使焊料层承受较大结温波动，会加快器件老化失效。
3）电参数Rds/Rds的增加幅度比热参数Zjc/Zjc更大、灵敏性更高，将Rds/Rds作为焊料层老化失效的表征参量更优。
4）基于Rds、Tc、Id三个特征参量间的泛在关系建立的状态评估模型，可实现器件健康状态有效监测与评估，对确保器件与设备检修的针对性和有效性以及系统长期安全可靠运行具有重要指导作用。