当前,能源短缺、环境污染、气候变化等问题已经成为全球面临的严峻挑战。而利用电力电子技术对电能进行高效转换和控制,提高电能利用效率,正是实现清洁能源代替化石能源、推动节能减排和减少环境污染的有效途径之一。绝缘栅双极型晶体管(Insulation Gate Bipolar Transistor,IGBT)由于具有开关速度快、驱动功率小、通态压降低以及载流能力强的优点,已经成为各类中、大功率电力电子变流器系统中的主导功率器件。然而,由于IGBT模块特殊的多层结构以及各层材料之间热膨胀系数不匹配,导致其在服役过程中,会随着工况变化经受热应力的反复作用,从而引起互连结构损伤,并导致IGBT模块电热特性发生改变,甚至造成永久性失效。一方面为满足应用需求,IGBT模块正朝着更高的集成度、更高的功率密度以及更高的开关速度方向发展,这种发展趋势不可避免地导致IGBT模块工作结温升高,并使得其失效概率增加和可靠性降低。另一方面随着应用领域不断扩大,对IGBT模块的工作寿命和可靠性要求也越来越高。因此,开展与IGBT模块可靠性评估相关的研究,尤其是有关IGBT模块失效机理、状态监测和寿命预测等方面研究,对于提高IGBT模块可靠性具有重要意义。本文主要提出了一套基于导通电阻退化模型的IGBT模块寿命预测方法,主要包括IGBT模块功率损耗模型、RC热网络模型和导通电阻退化模型三个部分。该方法利用导通电阻退化模型计算每个功率循环周期内的IGBT模块导通电阻退化量,并将其反馈至功率损耗模型计算模块功率损耗变化,再结合RC热网络模型计算模块结温变化,而结温升高又会加剧导通电阻退化,直至导通电阻退化量满足失效判定标准,结束循环过程并得到IGBT模块寿命预测结果。为建立IGBT模块导通电阻退化模型,利用自主设计搭建的功率循环实验平台开展了不同实验条件下的直流功率循环实验,获取了IGBT模块饱和压降退化数据和失效寿命。结果表明,当IGBT模块老化到一定程度时,其饱和压降随老化时间逐渐增大,并且结温差越大,IGBT模块饱和压降退化速率越快,失效寿命也越短。另外,失效分析发现IGBT模块以键合线脱落失效为主,键合线脱落会增大模块导通电阻,并导致模块饱和压降突增。根据本文提出的IGBT模块寿命预测方法,分别建立了IGBT模块功率损耗模型和RC热网络模型,并将两者相结合在MATLAB/Simulink软件中建立了用于IGBT模块寿命预测的电热分析模型。另外,利用红外热像仪测量了不同功率循环实验条件下的IGBT模块温度场,并与电热分析模型的结温计算结果进行了对比。结果表明,主电路导通/关断时间越长,IGBT芯片结温差越大,而平均结温近似不变,并且由于存在开关损耗,PWM工况下的IGBT芯片结温比DC工况下更高,结温差也更大。另外,电热分析模型结温计算结果与红外测温结果相差较小,表明电热分析模型可以比较准确地计算IGBT芯片结温。根据直流功率循环实验结果,针对键合线疲劳损伤引起的IGBT模块导通电阻退化,建立了用于IGBT模块寿命预测的导通电阻退化模型,并与IGBT模块功率损耗模型和RC热网络模型相结合,在MATLAB/Simulink软件中实现了基于导通电阻退化模型的IGBT模块寿命预测,该方法将互连结构损伤引起的导通电阻退化量作为判断IGBT模块老化状态和失效的特征参量,考虑了互连结构损伤累积的自加速效应对IGBT模块寿命的影响。由直流功率循环实验结果和IGBT模块电-热-力有限元分析结果,分别获取了基于温度参数和基于力学变量的寿命预测模型参数,并与本文提出的IGBT模块寿命预测方法进行了对比。结果表明,本文方法的寿命预测结果与基于力学变量的寿命预测模型更加接近,能够有效预测IGBT模块寿命,可以为设计更加合理的功率循环实验方案提供指导,提高实验效率。采用本文提出的IGBT模块寿命预测方法,分别对直流和脉宽调制功率循环实验条件下的IGBT模块寿命进行了预测。结果表明,结温差越大,平均结温越高,则IGBT模块导通电阻退化速率越快,寿命越短,并且相比于平均结温,结温差对IGBT模块导通电阻退化速率及其寿命的影响更大。另外,在脉宽调制功率循环实验条件下,开关频率越高,IGBT模块导通电阻退化速率越快,寿命越短。与直流功率循环实验相比,由于存在开关损耗,脉宽调制功率循环实验条件下的IGBT模块结温更高,其寿命也更短。针对电动汽车驱动系统,采用本文提出的IGBT模块寿命预测方法对不同路况下的IGBT模块寿命进行了预测。结果表明,典型欧洲城市路况下的IGBT模块寿命最短,尽管高速路况下和市郊路况下的车辆行驶速度较快,但车速波动幅度比城市路况更小,IGBT模块结温波动也更小,因此IGBT模块寿命更长。