负载电流对IGBT器件中键合线的寿命影响和机理分析

通过器件的功率循环试验可建立寿命模型,如最常用的CIPS08公式,用来预测实际工况下的寿命情况。其中结温波动和结温最大值对键合线寿命的影响最大,但是在功率循环试验中往往需要同时调节负载电流大小和开通时间来达到相同的结温波动和结温最大值。为了进一步评估负载电流和开通时间这两个参数对键合线寿命的贡献,尤其是负载电流的影响机制,该文对650V/20A的TO封装IGBT器件在相同的结温波动和结温最大值,但在不同的负载电流大小和开通时间的组合条件下进行了功率循环试验。结果表明,不同的负载电流和开通时间组合对器件寿命有不可忽略的影响,电流增大会显著降低IGBT器件中键合线的寿命。为了解释试验出现的现象并揭示其作用机制,该文建立TO封装IGBT器件的电-热-力多物理场有限元模型,考虑铝键合线和表面金属层的弹塑性特性,分析电流影响键合线应力大小的机理。同时引入金属疲劳寿命模型,得到的仿真寿命趋势与试验结果相吻合。该文研究可为IGBT器件的精确模型建立和键合线疲劳寿命预测提供指导意义。     

散热底板对IGBT模块功率循环老化寿命的影响

功率半导体模块通常采用减小结壳热阻的方式来降低工作结温,集成Pin-Fin基板代替平板基板是一种有效的选择。两种封装结构的热阻抗特性不同,可能对其失效机理及应用寿命产生影响。针对平板基板和集成Pin-Fin基板两种常见车规级IGBT模块进行了相同热力测试条件（结温差100 K,最高结温150℃）下的功率循环试验,结果表明,散热更强的Pin-Fin模块功率循环寿命低于平板模块。失效分析显示,两者失效模式均为键合线脱附,但Pin-Fin模块的键合失效点集中在芯片中心区域,而平板模块的键合失效点则较为分散。基于电-热-力耦合分析方法,建立功率循环试验的有限元仿真模型,结果表明,Pin-Fin模块的芯片温变梯度更大,芯片中心区域键合点温度更高,使芯片中心区域的键合点塑性变形更大,导致其寿命较平板模块更短,与试验结果吻合。     

考虑器件结构布局的功率循环失效模式分离机制

功率循环作为考核器件封装可靠性最重要的测试被广泛应用,IGBT器件的寿命模型也越来越完善,考虑的影响因素也越来越多,如器件参数也被考虑到了CIPS08模型中,但器件失效模式的分离和失效机理的研究一直是难点。文中将脱离传统方法中测试条件的影响,重点考虑器件结构布局带来的热应力分布差异,深入研究器件不同结构布局情况下失效模式的分离机制,把握器件失效的根本原因,旨在为IGBT器件的封装结构设计提供理论指导。以INFINEON公司全桥模块EasyPACK(FS25R12W1T4)为测试对象,针对模块中具有不同IGBT芯片与DCB(direct copper bonded)板面积比的两个IGBT芯片(开关2和3)进行相同测试条件(结温差△Tj≈90K和最大结温Tjmax≈150℃)下的功率循环对比测试,以明确其失效模式。实验结果表明,具有小面积比的IGBT芯片为键合线失效,而具有大面积比的IGBT芯片则表现为焊料层的老化。这说明小的面积比可有效减小焊料层的温度梯度,从而减小器件焊料层的热应力,最终导致键合线的失效。进一步地,针对指定失效模式的IGBT芯片进行不同测试条件下的功率循环实验以验证器件...     

基于壳温的IGBT模块键合引线疲劳寿命预测

为了研究功率循环下键合引线的疲劳寿命,提高IGBT模块的可靠性,文中提出了一种基于壳温的键合引线寿命预测方法。首先对IGBT模块进行功率循环测试,探究了键合引线的疲劳失效机理;然后建立IGBT模块的电—热—结构强耦合模型,分析了模块在功率循环载荷下的电、热、结构特性。依据键合引线的应变情况和实验测得的疲劳曲线,评估键合引线的疲劳寿命,并在壳温基础上建立了其寿命预测模型,对比测试结果验证了该模型的准确性;最后提出了铜键合引线的改进方案。根据易测量的壳温来确定键合引线的使用寿命,提前更换器件,能降低IGBT模块的故障率。     

基于组合短路电流的不受老化影响的IGBT模块结温测量方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的结温精确在线测量对于功率变流器的热管理及可靠性研究具有重要意义。然而目前绝大多数温敏电参数都受到器件老化的影响,无法准确地描述老化进程中器件的结温信息。由于短路电流作为温敏电参数时,其测量结果受器件键合线老化的影响。为此,文中提出一种基于组合短路电流的IGBT模块结温测量方法,该方法可以消除键合线老化的影响。通过理论分析和模拟剪线实验分析键合线老化对所提结温测量方法的影响,并搭建实验平台,验证所提方法在运行变流器中在线测量结温的可行性。理论分析和实验结果表明,所提方法不仅能消除键合线老化对结温测量的影响,还具有线性度好、灵敏度较好及在线测量的优点。     

IGBT功率模块加速功率循环试验的研究

在此设计了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块加速功率循环试验电路,通过结温差60 K,80 K和100 K的3次加速功率循环试验,发现铝键合线的翘起、脱离或熔断是加速功率循环试验中IGBT模块失效的主要形式。加速功率循环试验的失效周期数能较好符合经典的寿命预测模型,这说明通过提高结温差来进行加速功率循环试验可大大缩短试验时间,从而提高IGBT模块可靠性的验证效率。     

基于状态反馈线性化的IGBT外部热管理

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的热管理技术能降低其运行时的结温波动,提高器件的可靠性.针对IGBT外部热管理系统中的非线性成分,建立系统的仿射非线性模型.通过引入状态反馈线性化方法对其进行线性化,弥补目前IGBT热管理控制系统设计中缺乏精确数学模型的缺陷.基于线性二次型调节器(LQR)设计一种闭环控制方法,通过调节外部散热条件以平滑IGBT运行时由于负载波动导致的低频结温波动.基于Buck电路进行实验,实验证明,所提算法对负载电流在额定值的60％～100％范围内波动时,能够降低约60％的结温波动,提高IGBT约69倍的寿命.最后,基于小电流注入法在线测量结温,验证了基于模型计算结温的准确性.     

MMC系统功率器件基频结温波动快速计算方法

将运行工况转换为器件上承受的热荷载是寿命耗损评估的关键,而寿命耗损评估的准确性受限于功率器件结温计算的速度和精确性。模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)系统桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性,使得子模块内部产生热不平衡。且长时间任务剖面下,较大的基频结温波动对子模块中IGBT模块寿命评估影响不容忽视。为此,文中提出一种考虑运行参数影响的基频结温波动快速解析计算方法。以1.3MVA MMC并网系统为例,通过实验平台测试了所用器件的动静态参数,建立精确的3D器件损耗模型,将所提的结温波动计算模型与时域电热仿真进行准确性对比,讨论不同运行参数对所提结温计算方法的影响。最后,基于所提方法对实际传输功率下网侧MMC子模块中IGBT模块基频结温波动进行计算,验证该方法有助于准确评估MMC中功率器件可靠性。     

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。     

回跳现象对RC-IGBT器件功率循环测试的影响EI北大核心CSCD

逆导型绝缘栅双极型晶体管(reverse conducting insulated gate bipolar transistor,RC-IGBT)是一种新型IGBT器件,其在IGBT芯片结构中集成了一个快恢复二极管,具有成本低、封装工艺简单、功率密度高、抗浪涌电流能力高等特点,因而备受工业界关注,对其可靠性的要求也越来越高。但是,由于RC-IGBT器件特殊的芯片结构,使得其输出特性曲线上具有回跳现象。而回跳现象是否会对RC-IGBT可靠性的考察产生影响还有待研究。因此文中首先深入分析回跳现象产生的机理,并结合考察器件可靠性最重要的实验——功率循环实验的原理阐述,分析得到回跳现象可能会对功率循环中结温测量、并联分流和功率循环寿命及失效形式3个方面产生影响,并通过设计实验进行论证。实验结果表明,回跳现象会对VCE(T)法进行结温测量产生影响,而对VF(T)法进行结温测量没有影响;通过并联分流实验发现,具有较小回跳电压的器件会在电流流过器件瞬间分得更多的电流,但是其影响时间较短;通过不同导通模式下的功率循环实验对比分析可知,回跳现象对分立器件的功率循环寿命及失效方式没有影响。     

IGBT模块的杂散参数计算与封装设计研究

绝缘栅型双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块由于线路杂散电感的存在使得在开通和关断的瞬态过程中产生过大的电压尖峰,过压会使IGBT芯片的集电极电流增大从而导致结温上升,且其是导致IGBT模块失效的一个重要因素,通过有限元仿真软件Ansoft Q3D Extractor对键合线结构IGBT模块的杂散参数进行计算并对其封装结构进行优化,设计可有效降低IGBT模块杂散参数的平板封装结构,结果显示平板封装IGBT模块的主回路杂散电感为11.365 n H,电阻为0.409 m?,与键合线结构IGBT模块相比,杂散电感降低55.1%,电阻降低13.2%。     

IGBT模块键合线失效研究

新能源技术的发展对功率变流装置的性能提出了更高的要求,IGBT模块作为变流器的核心器件,其可靠性受到了越来越广泛的重视。现有研究表明,恶劣的工作环境加速了器件的老化和失效,因此,深入研究IGBT模块的老化和失效机理是功率器件应用中需亟待解决的问题。以IGBT模块的键合线为研究对象,在建立IGBT模块电-热-力多场耦合模型的基础上,对正常工作和部分键合线脱落时的温度和剪切应力进行了综合分析,指出剪切力是键合线疲劳和失效的直接原因。最后,对比传统铝键合线模型,采用铜作为键合线材料,可以进一步提高模块的可靠性。本研究为进一步分析键合线疲劳,研究IGBT模块的失效形式和寿命提供了参考。     

一种可提高IGBT可靠性的新型结温管控策略

变换器在运行过程中频繁和大范围地随机出力变化,会导致IGBT模块内部结温剧烈波动,使器件持续承受交变的热应力冲击,严重影响器件的可靠性。提出一种通过调节驱动电压实现功率器件结温平滑跟踪和自适应管控的策略。首先,基于简化的IGBT损耗分析模型,阐述了驱动电压大小对IGBT损耗的影响。然后,根据结温变化趋势的大小自动调节驱动电压,在不影响变流器输出性能的同时最大程度抑制结温波动,改善器件周期热应力,提高器件运行可靠性和寿命。最后,通过一种新型应力测试电路的结温跟踪管控实验平台进行实验测试,证明了该结温跟踪管控策略具有可行性和有效性。     

基于神经网络的IGBT模块剩余使用寿命预测模型

对IGBT模块使用寿命进行预测是评估其健康状态和可靠性的有效手段。基于IGBT老化实验测量,构建了包括饱和压降和结温的二维IGBT状态检测指标。对于归一化后的数据,提出了分段处理方法,去除了IGBT键合线断裂引起的较大指标波动。以饱和压降和结温数据为基础,提出了基于BP神经网络算法的IGBT剩余寿命预测模型。针对同样本不同通道、不同实验条件样本等情况,验证了本模型在剩余寿命预测中的准确性。     

基于驱动电压调节的IGBT结温跟踪管控策略及实现

针对变流器在运行过程中由于频繁和大范围的随机出力变化,导致IGBT模块内部结温剧烈波动,影响器件运行可靠性的问题,提出并探讨了通过调节栅极驱动开通电压实现功率器件结温平滑跟踪管控策略的思想和具体实现方法。利用一种简化的IGBT损耗分析模型,阐述了驱动电压大小对IGBT损耗的影响,并通过双脉冲实验进行了验证。根据结温变化趋势的大小自动调节驱动电压,在不影响变流器输出性能的同时最大程度减少结温波动,并且具有较快的响应速度。构建了基于一种新型应力测试电路的结温跟踪管控实验平台,实验结果表明,该结温跟踪管控策略具有可行性和有效性,减小了器件承受的热应力冲击。     

结温导向的两电平逆变器寿命优化控制

结温是影响IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)寿命的关键因素,为了延长两电平逆变器寿命,提出一种改进的模型预测电流控制(Model Predictive Current Control, MPCC)策略。首先,针对功率损耗产生原理,建立IGBT的损耗因子;其次,考虑三相电流方向和不同功率管的导通情况,在IGBT开关和导通时刻加入不同的损耗因子,控制功率损耗的产生。通过仿真验证,相比传统模型预测电流控制和空间矢量脉宽调制策略,所提方法在保证控制性能的同时降低了功率器件结温,延长了寿命。     

柔直用压接型高压IGBT导通压降演化规律研究

MMC子模块中的高压功率器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在长期运行工况下逐渐发生热老化,最终导致器件失效。因此,研究IGBT的状态监测技术对于MMC的可靠运行具有重要意义。目前的文献压接型IGBT导通压降演化规律研究较少,文中搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中同时监测得到不同热老化程度下的器件导通压降和门极电流,利用试验得到的结温与门极电流的线性关系将导通压降归一化到同一结温下,从而剥离结温对导通压降的影响。结果表明,导通压降随着热老化程度呈现上升的趋势,变化范围大致在10%以内。最后,将老化失效的两个IGBT解体,发现器件内部物理结构发生变化,芯片表面发现局部烧蚀甚至熔化。     

大功率三电平变频器损耗及IGBT结温分析

提出一种大功率三电平变频器损耗及器件结温计算的简便方法,通过实验数据建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块导通损耗和开关损耗数学模型,并利用功率器件驱动信号来计算变频器的损耗,综合考虑了调制策略、负载功率因数、输出电流谐波、直流母线电压波动等因素,适用于变频器任何工况下的损耗和结温计算。建立了中点箝位型(NPC)三电平变频器电-热耦合模型,通过仿真和实验证明了所提方法的正确性,并分析了基于单开关周期的功率器件瞬态损耗及结温波动情况。     

压接型IGBT功率模块加速老化试验方法

针对目前对压接型绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor ,IGBT）可靠性评估测试工作的不足,从器件应用角度提出了可用于柔直功率模块的老化循环试验方法。结合不同试验工况下的理想试验波形及热阻模型得到了适用于不同试验的结温波动公式。通过实验验测得到了压接型IGBT在老化试验下的结温波动波形,对所提方法进行了验证。     

一种基于开通栅极电压的新型IGBT键合线老化监测方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)的可靠运行是牵引变流器安全和性能的重要保障。键合线老化作为IGBT的一种常见失效模式,对其进行监测具有重要意义。文中提出一种基于开通栅极电压ugem的键合线老化监测方法,该方法可有效避免温度和负载电流带来的影响。首先,基于IGBT等效电路模型,系统分析ugem受键合线断裂影响的原因;其次,利用双脉冲测试进行验证,同时对温度和负载电流带来的影响进行分析;在此基础上,考虑到使用ugem局部特征将受到温度和电流的干扰,提出将开通栅极电压整体波形用于键合线老化的监测,并进一步利用有监督的线性判别分析进行数据降维以及采用支持向量机实现键合线断裂根数的检测。最后,通过实验对所提监测方法的有效性进行验证。