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功率mosfet健康狀態評估與剩余壽命預測方法
【專利摘要】本發明公開功率MOSFET健康狀態評估與剩余壽命預測方法，具體步驟為：首先采集健康功率MOSFET的漏源極電壓、漏源極電流和閾值電壓，獲取健康功率MOSFET的馬氏距離，并進行Box-Cox變換以得到正態分布化的馬氏距離，從而確定功率MOSFET的健康狀態評估基準閾值，并選取正態分布化的馬氏距離作為評估被測功率MOSFET的健康狀態特征參數；然后對監測被測功率MOSFET的漏源極電壓、漏源極電流和閾值電壓進行健康狀態評估；最后，根據被測MOSFET的不同健康狀態建立不同剩余壽命預測模型。本發明將功率MOSFET的多特征參數變換為單特征參數進行健康狀態評估，同時考慮了工作條件的溫度和電壓應力，建立了正常狀態和異常狀態下的剩余壽命預測模型，從而能夠準確預測被測功率MOSFET的剩余壽命。
【專利說明】功率MOSFET健康狀態評估與剩余壽命預測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種功率MOSFET健康狀態評估與剩余壽命預測方法，屬于可靠性評估和電子故障預測與健康管理領域。
【背景技術】[0002]隨著半導體技術的不斷進步與發展，功率MOSFET作為DC-DC電源模塊、光伏逆變器等電力電子電路中開關功率器件的主要選擇，是電子和電氣機載自治功能子系統中不可缺少的器件，廣泛應用于航空航天、軌道交通、新能源發電、導航和雷達系統等領域。通常，電路的退化或者失效往往是由某個或者某些關鍵器件導致的，有研究統計表明，功率MOSFET在電力電子電路中引起的故障率高達31 %。對于關鍵任務系統而言，其性能退化及失效將極大地影響系統的正常安全運行，因此為避免這樣的失效而引起的重大損失具有十分重要意義，從而需要健康狀態評估與剩余壽命預測方法，為維修、更換和備件策略制定的重要依據。
[0003]目前，國內外對功率MOSFET的失效機理、失效模式的分析研究較多，而對其進行健康狀態評估與剩余壽命預測的研究較少，采用的方法為選取單一的導通電阻或者閾值電壓作為失效特征參數進行健康評估或故障預測，即僅考慮了某一種失效模式情形下的退化規律。然而，功率MOSFET在實際工作過程中，受到溫度、電壓等應力的同時作用，其失效形式可能由多個失效模式共同表征。因此，為準確評估功率MOSFET的健康狀態及預測其剩余壽命需要選取恰當的健康狀態特征參數以及合適的剩余壽命預測模型。
[0004]本發明融合功率MOSFET分別在電應力和溫度應力失效下的特征參數，重新選取能夠表征MOSFET在電應力和溫度應力共同作用下健康狀態的特征參數，以此評估被測功率MOSFET的健康狀態。同時，根據健康狀態的不同建立不同的壽命預測模型，本發明中建立的分數階SVM預測模型，具有更好的泛化能力，預測精度更高。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種功率MOSFET健康狀態評估與剩余壽命預測方法，通過采集健康功率MOSFET在正常工作條件下的閾值電壓、漏源極電壓和漏源極電流，建立Box-Cox變換的馬氏距離模型，確定功率MOSFET的健康狀態評估基準閾值。根據被測功率MOSFET的健康狀態建立不同的剩余壽命預測模型，對于處于異常狀態的功率MOSFET建立分數階SVM(Support Vector Machine,支持向量機)預測模型,對于處于正常狀態的功率MOSFET建立加速因子壽命模型。
[0006]為實現上述目的，本發明的功率MOSFET健康狀態評估與剩余壽命預測方法，具體包括以下步驟:
[0007]步驟1:定義標稱工作條件下(溫度為25°C )性能參數滿足要求的功率MOSFET為健康功率MOSFET ;等時間間隔連續采集健康功率MOSFET在m個時刻的閾值電壓Vth(i)、漏源極電壓VDS(i)和漏源極電流IDS(i),計算導通電阻RDS(i)=VDS(i)/IDS(i),其中i = 1,2,…，m;由導通電阻RDS(i)和閾值電壓Vth(i)獲得馬氏距離MD(i)，將馬氏距離MD⑴經Box-Cox變換得到正態分布化的馬氏距離
【權利要求】
1.功率MOSFET健康狀態評估與剩余壽命預測方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟1:獲取功率MOSFET健康狀態評估基準閾值，其具體步驟如下: 步驟1.1、定義標稱工作條件下(溫度為25°C )性能參數滿足要求的功率MOSFET為健康功率MOSFET ;等時間間隔連續采集健康功率MOSFET在m個時刻的閾值電壓Vth(i)、漏源極電壓VDS(i)和漏源極電流IDS(i)，其中i = 1,2,…，m ; 步驟1.2、根據步驟1.1中采集的Vth(i)、^DS(i)和 Ids(I) 建立馬氏距離模型MD⑴，對馬氏距離MD(i)采取Box-Cox變換得到正態分布化的馬氏距離MZfjw，MDfjw服從正態分布Ν(μ，δ2)，其中μ為MDg,)的均值，δ 2為MDg,)的方差； 步驟1.3、以正態分布化的馬氏距離作為功率MOSFET的健康狀態特征參數，并確定功率MOSFET的健康狀態評估基準閾值為L1=( μ +3 δ )； 步驟2:計算被測功率MOSFET在Tn時刻時的健康狀態特征參數，評估被測功率MOSFET的健康狀態；選取功率MOSFET的失效閾值L2,并且L2I1 ；當< (時，判定此時被測功率MOSFET為正常狀態，采用步驟3進行剩余壽命預測；當4 < MD^{n) <矣時，判定其為異常狀態，采用步驟4預測其剩余壽命；當#!^|) 2厶時，判定其為失效狀態，即被測功率MOSFET壽命終結； 步驟3:依據Tn時刻被測功率MOSFET的工作溫度Temp(n)和閾值電壓Vth(n)計算當前狀態下的加速因子AF(n)并結合功率MOSFET生產商提供的MTTF (Mean Time To Failure，平均失效時間)建立加速因子壽命模型預測其剩余壽命； 步驟4:建立分數階SVM預測模型，將被測功率MOSFET在T1~Tn時刻的遞％)作為分數階SVM預測模型的訓練樣本數據，對其進行時間序列預測，當預測到Τη."時刻MDBc(n+P-x) <矣且Tn+P時刻乙^時，則可得到功率MOSFET在Tn時刻的剩余壽命，其中 j=l, 2,…，η。
2.根據權利要求1所述的功率MOSFET健康狀態評估與剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟I中建立馬氏距離模型并采取Box-Cox變換，具體步驟如下: (1)根據漏源極電壓VDS(i)和漏源極電流IDS(i)計算導通電阻RDS(i)=V





DS(i)/TDS(i); (2)由導通電阻Rdsw和閾值電壓Vthw獲得馬氏距離MDw； (3)將馬氏距離MD⑴經Box-Cox變換得到正態分布化的馬氏距離，其Box-Cox變換模型為: M^n =?Κ)'?)Α,^° lV1LJBC(i) \ I\
/?(md(0),a = o 其中λ為變換參數。
3.根據權利要求1所述的功率MOSFET健康狀態評估與剩余壽命預測方法，其特征在于，步驟3中的加速因子壽命模型為:
4.根據權利要求1所述的功率MOSFET健康狀態評估與剩余壽命預測方法，其特征在于，所述步驟4中選取分數階傅里葉變換核函數建立分數階SVM預測模型，將數據集
【文檔編號】G01R31/26GK103675637SQ201310581060
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月14日 優先權日:2013年11月14日
【發明者】孫權, 王友仁, 姜媛媛, 吳祎 申請人:南京航空航天大學