IGBT

本文由翻譯而成 

抽象的

低環境負荷的新能源系統將越來越體現其在城市設計和規劃中的優越性。新能源系統中用於電力轉換的電力電子設備的狀態監測對整個城市的穩定運行具有重要意義。研究了IGBT模塊的失效機理和老化演化過程，判斷了IGBT器件的失效類型。提出了一種基於熱敏電參數法和熱電阻網絡法的老化類型識別算法。首先，健康的結溫基於實驗數據在雙脈衝平台上建立了基於關斷初始損耗的IGBT模型。其次，根據數據表建立了IGBT的熱阻網絡模型。最後通過實驗室現有的IGBT加速老化實驗平台進行IGBT的加速老化，將老化參數導入上述兩種模型。結果表明，熱阻網絡模型和熱參數模型的輸出結果受老化類型的影響，為IGBT老化類型研究提供了新的解決方案，對新能源系統的應用具有重要價值。 .

1 . 介紹

隨著經濟的快速發展，社會發展對電力供應的需求也急劇增加。傳統煤炭等一次能源受限於發電儲量有限和環境污染，而太陽能、風能等越來越多的新能源投入使用並受到關注。 其中，電力電子技術是高效能量轉換（能量轉換系統）的基礎，電力電子器件的可靠性對能量轉換系統的運行成本有重要影響，也關係到新能源的運行成本。全市系統。功率變換器是能量轉換系統的重要組成部分，其可靠性是電網穩定的基礎。其中，功率器件（如IGBT、MOSFET等）是電力電子變流器的關鍵部件，也是變流器中最易損壞的部件之一。統計數據顯示，功率器件是當前變流器系統中故障率最高的器件，約佔31%。因此，變流器中IGBT等功率器件的運行安全性和可靠性越來越受到研究人員的重視。不同結溫差的影響噸文獻定量分析了焊料層耗材對器件壽命的影響 。文獻通過仿真分析，研究了功率器件焊層在功率循環過程中的失效機理以及焊層中空洞含量對器件性能的影響。 IGBT的內部熱應力分佈。Coffin-Manson壽命預測模型見文獻 ，但修改後的模型參數是從小樣本中獲得的，並沒有被完美地考慮。現有的研究大多是從熱敏參數的角度來研究器件結溫的變化，並將其映射到器件的失效程度，但實際上，用熱敏電參數法研究器件結溫的情況並不多見。完全正確。

本文在不破壞模塊封裝的前提下，通過加速老化實驗，對功率器件的老化特性進行測試分析，研究了IGBT失效過程中的結溫變化，包括熱敏電參數法和熱阻網絡法。比較兩種方法的結溫檢測結果，判斷IGBT的失效過程和程度。

2 . IGBT的失效機理

IGBT器件可以用浴盆曲線從製造、交付、使用和失效進行概括，主要由三部分組成，如圖1所示。

第 1 階段：早期故障率 (EFR)；設備的高故障率主要是由於製造缺陷和工廠標準低。

第 2 階段：內在故障率 (IFR)；該裝置在初始階段後故障率低且穩定。

第三階段：處於失敗階段；器件更容易出現故障，這主要是由於柵氧化層老化造成的。

其中，第三階段曲線1代表微電子老化曲線，第三階段曲線2代表工廠電力電子器件老化曲線 , 第三階段曲線 3 代表基於城市新能源系統的高負載電力轉換裝置的老化曲線。微電子的老化曲線是基於理想模型的研究，具有較長的相對壽命。電廠電力電子設備的功率元件在第三階段由於負載較高而老化更快，儘管它們的負載相對穩定。至於城市新能源系統中的電力變換裝置，具有負荷大、負荷波動大、環境改造快、環境惡劣等特點，拐點將向前推進。這意味著城市新能源系統下電力電子裝置的可靠性研究將更加重要，這與整個系統的穩定運行密切相關。

2.1 . 芯片故障

一般來說，IGBT功率模塊的芯片故障多為輻射損壞和柵極氧化層擊穿。輻射損傷是指IGBT功率模塊的柵極氧化層在輻射環境中的損傷和擊穿。輻射環境按來源可分為自然輻射環境和人為輻射環境。自然輻射環境包括空間電磁場、太陽風和宇宙射線。人為輻射環境包括核輻射、核反應堆等。電網氧化擊穿通常指絕緣擊穿、電過應力（EOS）、靜電放電（靜電放電）。對於靜電放電和電過應力，兩者都在長時間放電或電過應力的作用下，IGBT功率模塊中的柵極氧化層會開裂，甚至嚴重開裂，最終導致芯片失效。有兩種類型的柵極氧化層擊穿。第一種是瞬時絕緣擊穿（TZDB），第二種是時間相關的介質擊穿（TDDB）。第一種是指施加在柵氧化層上的電壓超過極限電壓，立即引起短路。第二種是指加入的電場小於擊穿場氧化層固有的強度，柵氧化層長時間處於該電場中，在柵極薄的SiO 2層中缺陷電荷積累最終導致柵氧化層擊穿。

2.2 . 封裝故障

典型焊接IGBT功率模塊多層結構的剖面如圖2a所示。焊料用於將 IGBT 芯片焊接到 Direct Copper-Bonded (DCB) 的上銅層，而 DCB 的下銅層與基板鍵合。IGBT 在工作過程中由於開關損耗和狀態損失。大部分熱量來自 IGBT 芯片，通過鍵合線、焊錫層、DCB 和銅底板到達底部，最後通過固定在銅底板下方的散熱器散熱。

由於每一層由具有不同熱膨脹係數（CTE）的材料製成，因此每一層在 IGBT 運行過程中都會受到不同程度的熱膨脹和熱應力。這導致在循環熱衝擊作用下，器件各層出現 斷裂、分層、金屬重構等一系列疲勞老化現象，最終導致器件失效。根據失效部位的不同，封裝失效可分為焊層疲勞和鍵合線脫離失效。

3 . 老化特性分析

IGBT器件的初始關斷損耗和IGBT的熱阻網絡模型具有結溫依賴性和老化依賴性。建立基於關斷初始損耗-集電極電流-結溫的IGBT結溫模型和基於熱阻網絡法的IGBT結溫模型，分別輸入老化後關斷初始損耗參數，實現老化類型的分類。

3.1 . 基於溫度敏感電參數法的老化依賴性和結溫依賴性

IGBT關斷瞬態過程如圖1b所示。柵極驅動信號發出關斷信號，驅動電壓迅速變化，驅動電流建立並通過驅動電阻放電。關斷時間是從集電極電壓的 10% 到集電極電流的 10% 的間隔，而關斷損耗是關斷時間內關斷損耗功率與關斷初始損耗功率的積分是集電極電壓和集電極電流在 10% 時的乘積，分別由下式表示。

在裡面-階段，集電極-發射極電壓的上升速率與米勒電容呈負相關，米勒電容隨著結溫和老化程度的增加而增加，即電壓上升時間隨著芯片老化和溫度升高的加劇，關斷損耗增加也增加

在裡面-階段，集電極電流下降率受跨導和柵極發射極電容的影響。研究表明，隨著芯片老化和溫度升高，電流下降速度減慢，關斷損耗也增加。

根據公式可以發現,， 和相互之間具有映射關係，因此初始關斷損耗也與溫度和老化有關。

研究表明，IGBT的內部電容僅受芯片老化影響，與封裝老化無關，因此以上三個參數可用於芯片老化研究和結溫提取。這可以很容易地提取（僅使用低頻傳感器），因此可用於構建基於熱敏電參數的 IGBT 健康器件的結溫模型。

3.2 . 基於熱阻網絡法的老化依賴性和結溫依賴性

本實驗使用的IGBT模塊熱阻網絡模型（Foster模型）如圖3所示。熱阻網絡模型主要採用IGBT外殼溫度或襯底溫度，結合模塊的電損耗模型和熱模型，計算出IGBT芯片的結溫。考慮到熱敏元件測試點溫度與IGBT芯片結溫的溫差，常採用這種方法來精確計算結溫變化。首先，在下面的熱阻網絡模型中，根據 IGBT 的熱特性和各層材料的大小，建立 IGBT 的熱阻網絡模型。那麼，功率損耗計算特定工作條件下待測 IGBT 模塊的功率。最後根據確定的外殼溫度可以得到IGBT的內部結溫，如公式 [18]所示。

提取結溫點在芯片和背板之間，所以根據熱阻網絡法原理，基於熱阻網絡的IGBT結溫模型不受IGBT芯片老化的影響，也不受芯片內部熱量的影響。芯片。當 IGBT 封裝老化時，封裝的等效熱阻抗會增加，導致 IGBT 的結溫偏移（增加），即基於熱阻網絡法的結溫模型具有老化依賴性。

網路原文

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352484721006673

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