基于IGBT模塊熱阻的狀態評估研究

姚芳　王少杰　李志剛　陳盛華

摘 要： IGBT模塊在退化過程中內部材料的物理屬性會發生變化，進而引起模塊結殼熱阻的變化，因此通過研究結殼熱阻的變化情況，可以對IGBT模塊的退化程度進行評估。首先研究IGBT模塊的結構及熱擴散特性，并利用定義法計算出初始結殼熱阻，指出模塊在退化過程中各層封裝材料、物理參數及導熱面積的變化會導致結殼熱阻的變化；然后，對IGBT模塊進行了溫度循環老化試驗，并在老化過程中測量模塊的結殼熱阻，研究結殼熱阻在老化過程中的變化情況，發現其按指數規律退化，進而建立熱阻的指數退化模型；最后，提出一種IGBT模塊的模糊狀態評估方法，建立了基于熱阻的模糊狀態評估模型，采用均勻劃分的方法以IGBT模塊的結殼熱阻作為評估參數將模塊的退化狀態分為7個評估等級，并對老化后的某IGBT模塊進行了模糊狀態評估。

關鍵詞： 熱阻狀態評估； 模糊理論； 模糊狀態評估方法； IGBT模塊

中圖分類號： TN305.94?34； TN32 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0133?05

Abstract： The physical property of the IGBT module′s internal material may change in its degradation process， and lead to the variation of the junction?to?case thermal resistance of the module. The study on variation of the junction?to?case thermal resistance can evaluate the degradation process of IGBT module. The structure and thermal diffusion characteristics of IGBT module are studied. The definition method is used to calculate the initial junction?to?case thermal resistance. It is pointed out that the variation of the each layer′s encapsulating material physical parameters and heat conduction area in degradation process may cause the change of the module′s junction?to?case thermal resistance. The temperature cycle and aging test were conducted for IGBT module. The junction?to?case thermal resistance of the module is detected in the aging process. The variation situation of the junction?to?case thermal resistance is studied in the aging process to find out its degradation according to index law， so as to establish the index degradation model of the thermal resistance. A fuzzy state assessment method of IGBT module is proposed to establish the fuzzy state assessment module based on thermal resistance. The uniform division method is adopted to divide the module′s degradation state into seven assessment grades by means of taking the junction?to?case thermal resistance of IGBT module as the assessment parameter， and performs the fuzzy state assessment for the aged certain IGBT.

Keywords： thermal resistance state assessment； fuzzy theory； fuzzy state assessment method； IGBT bmodule

0 引 言

IGBT自20世紀80年代誕生以來不斷發展，逐步成為新型高頻大功率電力半導體器件的代表性器件，以其獨特、不可取代的功能，迅速應用到了國民經濟中的各行各業，表現出極強的生命力和發展潛力[1]。但開關速度高和電流密度大使其生熱功率增大、發熱量提高，在工作過程中易由于溫度的循環沖擊而發生疲勞失效。根據2009年的一項調查研究顯示，風電變流器是電力系統在惡劣環境下運行時失效率最高的環節之一[2]，而IGBT是變流器中失效率最高的環節；因此，提高IGBT的可靠性可以提高電力系統的可靠性。目前，一般會在系統停運期間對變流系統進行定期或不定期的檢測和維修，以及在系統運行期間對關鍵電氣參數進行實時監測，但是，并不能對部件的健康狀況進行評估，也不能診斷器件性能[3]。如果能在常規檢修期內對器件的狀態進行評估，及時更換狀態不好的器件，則可以大大提高電力系統運行的安全性和可靠性，因此研究IGBT的狀態評估具有十分重要的科學意義。

本文通過研究IGBT模塊的熱量傳遞情況及結殼熱阻的計算方法，發現在模塊退化過程中，各層封裝材料的屬性參數會發生變化，進而引起結殼熱阻的變化，因此結殼熱阻的變化可以反映IGBT模塊的退化情況。本文對某型IGBT模塊進行了溫度循環老化實驗，在老化的過程中采集結殼熱阻，通過研究熱阻在退化過程中的變化建立了熱阻退化模型，并建立了基于熱阻的模糊狀態評估模型。該模型可以根據結殼熱阻對IGBT模塊的健康狀態進行模糊狀態評估，工程上對健康狀態不好的器件及時更換，提高電力系統運行的可靠性。

1 IGBT模塊的結殼熱阻

1.1 IGBT模塊的結構及熱擴散特性分析

IGBT模塊采用封裝結構，模塊內部由IGBT芯片和FWD芯片組成功率電路、襯底層（上銅層、陶瓷層、下銅層和焊料層疊加而成）和銅基板組成。

熱傳導過程中，若下一層材料的熱導率k2大于該層材料熱導率k1，則熱流僅在該層材料的垂直方向流動，不發生橫向擴散；若下一層材料的熱導率k2小于該層材料的熱導率k1，則熱流在該層會有橫向擴散，擴散角度θ的大小為：

根據熱傳導理論，熱量應在上銅層、下銅層、銅基板中有明顯的橫向擴散，而在芯片、陶瓷層、以及上、下焊料層中沿垂直方向傳播。三維溫度場在垂直方向剖面的溫度場如圖1所示。

模塊芯片上方殼體內灌有絕熱硅凝膠，有阻斷熱傳導作用。因此，IGBT模塊內的熱量主要是由上至下在各層材料之間，以熱傳導的形式自芯片逐層傳遞至銅基板。對IGBT模塊在恒功率條件下進行有限元仿真，得到熱穩態時芯片表面和銅底板的二維溫度分布場，如圖2所示。A，B分別為芯片和銅底板的最高溫度點，二者的三維坐標分別為（0.078 299，0.038 496，0.003）和（0.078 299，0.038 496，0.004 4），說明熱流自芯片向銅底板沿垂直材料層面方向（圖1箭頭所指方向）傳導；并且圖2中的熱量擴散均以IGBT芯片為圓心成圓形，說明熱量在平行于材料層的方向上成圓形向四周傳導。

1.2 IGBT模塊的結殼熱阻

模塊芯片及封裝各層材料的阻熱屬性由熱阻描述，熱阻取決于材料層的熱導率及有效導熱尺寸，定義為：

式中：L為導熱體厚度；λ為導熱體的熱導率；A為導熱體垂直于熱流方向的橫截面。

模塊芯片及各層材料的熱導率λ、厚度L可通過查閱數據手冊得知，由式（1）～式（3）可計算得到有效導熱面積A，通過式（4）可計算得到各層材料的熱阻，如表1所示。

IGBT模塊的結殼熱阻Rth反映了IGBT模塊封裝的散熱能力的大小，指IGBT芯片到銅基板間各層材料的熱阻之和[4?5]，計算得到模塊的總熱阻Rth=0.167 7 ℃/W。

由于模塊同時具有阻熱和儲熱性質，實驗室條件下一般給定功率P，加熱模塊至熱平衡，此時模塊不再儲熱，耗散功率等于加熱電功率，結殼熱阻可用殼溫差Tjc比功率P計算[6?7]。

IGBT模塊在退化過程中，其封裝材料的各個物理參數及導熱面積等都會發生變化，進而引起結殼熱阻的改變，因此結殼熱阻可以反映IGBT模塊的退化情況。

2 IGBT模塊結殼熱阻退化研究

工況下，IGBT模塊受到溫度循環沖擊的作用，導致各層材料熱導率λ改變、有效導熱面積甚至厚度發生微小變化，三者共同作用，導致材料層熱阻的增加，致使導熱性能降低。由于模塊多層結構中的焊料層彈性模量較低，易于產生空洞或裂紋，大部分損傷發生在上、下焊料層，因此對模塊熱特性影響較為關鍵的是上、下焊料層的性能[8?10]。焊料層的退化使模塊總的結殼熱阻增大，引起模塊總體導熱特性的減弱。模塊導熱特性減弱，會減小模塊安全工作區的面積，降低其工作安全性[11?12]。

為了研究IGBT模塊結殼熱阻與退化程度的關系，對額定1 500 V/75 A的IGBT模塊進行溫度循環老化。設置集電極電流為50 A，柵極電壓為15 V，控制殼溫從40 ℃加熱至90 ℃，再自然冷卻到40 ℃，重復循環過程。在老化實驗循環次數為0，1 000，2 000，3 000，4 000，5 000，6 000，7 000時用熱敏參數法測量IGBT模塊的穩態結殼熱阻，熱阻變化規律如圖3所示。

由圖3可知，隨著老化的不斷進行，模塊結殼熱阻從最初的0.167 3 ℃/W增加至0.197 4 ℃/W，且熱阻的大小隨循環次數的增加單調遞增，沒有往復波動，即熱阻的增加可以反映模塊的退化程度。因此，可以用模塊的結殼熱阻作為評估參數，對模塊的退化程度進行估測。

將圖3所示的熱阻隨循環次數變化的曲線進行擬合，得到的擬合方程式為：

當認為模塊結殼熱阻Rth上升到初始值的120%時失效，即當Tr=1.2時，由式（7）可推出在本文所列出的實驗條件下IGBT模塊的總壽命Nf=ln 1.2，[1Nf]為每次溫度循環所消耗的壽命值。

3 基于熱阻的狀態評估

3.1 模糊狀態評估建模

IGBT模塊在整個壽命周期內是不斷退化的，表現為結殼熱阻Rth的不斷增加，根據模塊的退化狀態，與退化后的性能，規定熱阻上升20%判定模塊失效，基于熱阻的模塊退化狀態研究，旨在研究模塊尚未失效階段熱阻的變化趨勢，即結殼熱阻Rth從Rth?min向120%Rth?min增加的規律。根據模糊評估理論，首先要對熱阻Rth進行去量綱和歸一化變換。

IGBT模塊的結殼熱阻以指數形式退化，因此，需將結殼熱阻Rth取對數后采用均勻分布模型，建立模糊狀態評估模型：

[H（Rth）=lnRth-lnRth-minln120%Rth-min-lnRth-min，Rth>120%Rth-min0， Rth≤120%Rth-min] （8）

式中：H（Rth）為模塊的退化特征量；Rth?min為模塊的最小結殼熱阻，也就是模塊未退化時的熱阻；120%Rth?min為模塊判定失效時的熱阻，也就是模塊完全退化時的熱阻。

3.2 模糊狀態評估方法

根據模塊退化過程中結殼熱阻的大小，通過模糊狀態評估模型對模塊退化程度進行評估的方法是：由式（8）計算模塊的退化特征量，當H（Rth）=0時，表示模塊沒有退化；當H（Rth）=1時，認為模塊失效；當H（Rth）介于0～1之間時，H（Rth）的大小反映模塊的退化程度，H（Rth）越大表示退化越嚴重。通過退化特征量，可以在一定范圍內定量地描述模塊的退化程度。

為了清晰地表述模塊的退化程度，將模塊從未退化到完全退化均勻分為7個退化等級區間。這7個區間可依次描述為未退化、較輕微退化、輕微退化、中度退化、較嚴重退化、嚴重退化和完全退化。將H（Rth）從0～1平均劃分為5個區間，每個區間的跨度均為0.2。根據式（8）可以推算出每個區間臨界點的結殼熱阻值。退化等級示意圖如圖4所示。7個退化等級區間劃分的臨界熱阻值如表2所示。

根據表2可以通過模塊的結殼熱阻直接估測出模塊的退化程度。當IGBT模塊的結殼熱阻Rth滿足：Rth=0.167 ℃/W時，模塊未退化；0.167 ℃/W0.200 ℃/W時，模塊完全退化，認為其已失效。

3.3 基于熱阻的狀態評估實例

根據以模塊結殼熱阻作為評估參數的7等級退化評估模型，對溫度循環老化實驗進行0，1 000，2 000，3 000，4 000，5 000，6 000，7 000次后的模塊進行退化等級評估，根據式（8）計算出其退化特征量，通過退化特征量對模塊的退化程度進行評估，評估結果如表3所示。

將不同循環次數下的退化特征量進行擬合，并照退化特征量劃分退化等級，如圖5所示。

在實際的老化過程中，可以根據溫度循環次數x，由式（9）計算出模塊的退化特征量，進而估測模塊的退化程度。

4 結 論

本文首先分析了IGBT模塊的結構及熱量在模塊中的擴散特性，并計算出初始的結殼熱阻值；然后，對IGBT模塊在集電極電流50 A，殼溫40～90 ℃的條件下進行溫度循環老化實驗，得到了結殼熱阻隨溫度循環次數的變化曲線，發現其按指數規律退化，建立了結殼熱阻的指數退化模型，并計算了在本文的循環條件下IGBT模塊的總壽命以及每一次溫度循環所消耗的壽命；最后，建立了基于結殼熱阻的模糊狀態評估模型，采取均勻劃分的方法，將退化特征量劃分為7個退化等級，并對溫度循環老化后的IGBT模塊進行了模糊狀態評估。在加大實驗量的前提下，可以建立普適性的狀態評估模型，則本文所介紹的評估方法可以在獲取結殼熱阻后快速地對IGBT模塊進行狀態評估，對提高電力系統運行的安全性有指導性的意義。

注：本文通訊作者為王少杰。

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