IGBT模塊失效機理和主動熱控制綜述

劉偉

摘要：近年來我國綜合國力的不斷增強，工業(yè)的迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的工業(yè)企業(yè)。隨著電力電子裝置在新能源發(fā)電、交直流輸配電系統(tǒng)、軌道交通以及電動汽車領域的廣泛使用，功率器件朝著高電壓等級、高功率密度趨勢發(fā)展，因此電力電子裝置可靠性成為廣泛關注的焦點問題。根據(jù)工業(yè)報告統(tǒng)計，功率變流器系統(tǒng)故障約有38%源于功率器件的失效，研究表明絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊失效機理復雜，溫度、濕度、振動、灰塵和污染都是影響功率器件失效的直接原因。IGBT模塊是變流器內(nèi)部最貴重的核心器件，也是最容易失效的部件之一，對于電力電子器件的使用壽命要求很少在10年以下，有的甚至要求達到30年。尤其是海上風電系統(tǒng)，所處地理位置偏遠，運行環(huán)境較為惡劣，檢修非常不便，而由功率器件引起的故障占風電機組故障的比例最高。因此，研究功率器件失效機理，是設計高可靠性電力電子變換器的必要環(huán)節(jié)，這對從事電力電子科研和相關工程技術人員也非常重要。本文就IGBT模塊失效機理和主動熱控制展開探討。

關鍵詞：IGBT模塊;失效機理;主動熱控制

引言

電力電子設備因其能量轉換效率高、主動可控性和較快的動態(tài)響應速度等優(yōu)點，廣泛應用于對于可靠性需求較高的新能源發(fā)電、航空航天、高速機車牽引、混合動力電動汽車和工業(yè)電機驅(qū)動等領域中。在這些場合應用時，電力電子設備會面臨各種或規(guī)律或不規(guī)律的功率大波動以及各種周期或非周期性的強機械振動等極端工況，相關統(tǒng)計表明，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中計劃外的檢修有37%是由變流器故障引起的。而在變流器中功率器件常被列為最易失效的部件，同時根據(jù)調(diào)查，在工業(yè)中最常用的功率器件是IGBT。

1功率模塊結構組成

功率模塊主要由表貼型功率器件、陶瓷覆銅板、承載底板、引線端子等構成。陶瓷覆銅板上的銅箔層為表面貼型功率器件和引線端子提供電氣連接，而陶瓷層則保證電氣絕緣。承載底板選擇與陶瓷覆銅板材料特性相似的AlSiC基板，為功率模塊提供機械安裝和導熱界面。

2功率模塊IGBT失效機理

2.1與封裝結構相關的失效

（1）金屬鋁引線脫落。鍵合指的是使用細金屬線，利用熱、壓力等能量的形式使引線與基板焊接，使內(nèi)部芯片與基板達到互聯(lián)并完成信息互通。在實際工作中，由于在正向?qū)娏髁鬟^可控器件導致溫度升高，而在反向?qū)〞r電流經(jīng)過反饋二極管續(xù)流使溫度降低，所以功率模塊不斷受到溫度變化的影響，由于芯片的材料與引線材料一般不同，其材料的熱膨脹系數(shù)自然不同，溫度的變化波動會使之間產(chǎn)生熱機械應力，從而使表面產(chǎn)生細痕，并隨著時間的累積逐漸加深，最終導致脫落。（2）不同焊料層間表面疲勞失效。封裝結構材料的多樣性導致各層間膨脹系統(tǒng)也不同。工作中，由于溫度的不斷波動，會在不同層表面產(chǎn)生不同的熱應力，這樣導致了各層材料變形的程度不一樣，從而逐漸產(chǎn)生裂痕，而且材料表面的阻抗也隨之增大，影響表面之間的熱傳導性。并且，由于環(huán)境因素的影響，往往會提前發(fā)生斷裂導致失效。一般情況下溫度對疲勞程度有著顯著影響，而腐蝕環(huán)境對材料形變的程度也有一定的影響，雖然其影響程度不如前者，但幾項因素疊加在一起，交互影響，加速導致焊料層發(fā)生故障失效。

2.2IGBT模塊芯片失效

（1）電氣過應力研究表明，IGBT芯片失效的主要原因在于承受了較大電氣過應力。電氣過應力失效指元器件承受的電流、電壓應力或功率超過其允許的最大范圍，通常數(shù)據(jù)手冊中會給出IGBT模塊的安全工作區(qū)，當電壓、電流或者功率超出工作區(qū)范圍即會出現(xiàn)IGBT芯片電氣過應力失效。以過電壓失效為例，柵射極過電壓失效源于驅(qū)動電路的異常，而集射極過電壓失效是因為回路中存在雜散電感，這會在器件的關斷過程中感生一個電壓尖峰而導致器件擊穿失效。另外還可能導致集電極dV/dt過高，嚴重時發(fā)生動態(tài)擎住效應導致芯片熱擊穿失效。（2）靜電放電。IGBT芯片內(nèi)不同材料之間處于不同電位因而可能會發(fā)生靜電荷的快速轉移，產(chǎn)生的電場會導致局部擊穿造成侵蝕性破壞，多次靜電放電（也稱為局部電擊穿通道）最終會擊穿柵極氧化層使得芯片失效。通常在設計高要求的IGBT模塊時，會利用滅弧電壓驗證模塊數(shù)據(jù)手冊中的絕緣電壓Viso，確保所使用工藝產(chǎn)生的靜電放電達到絕緣要求。

3主動熱控制

3.1外部熱控制

（1）主動冷卻。主動冷卻是指冷媒循環(huán)傳熱，利用媒介將熱量從器件內(nèi)部加速帶出至環(huán)境中。目前主動冷卻的方式有：風冷、直接液冷、微通道、兩相強制對流、射流沖擊以及噴霧換熱。標準的主動冷卻方法中，風扇以恒定的速度驅(qū)動，并施加恒定的偏壓。若以溫度調(diào)節(jié)的方式來區(qū)分，它是一種前饋控制的方法，在系統(tǒng)中，功率耗散和環(huán)境溫度都會被調(diào)節(jié)模塊所感應到，然后調(diào)制風扇轉速，來將給定位置處的溫度（TX）降至最低。其優(yōu)點在于這個系統(tǒng)是開環(huán)的（即它不受穩(wěn)定性問題和環(huán)境條件的影響），這種主動冷卻的方法可以預測溫度變化，也就是說，可以在溫度發(fā)生任何變化之前對干擾（功耗的變化）作出反應，從而使系統(tǒng)擁有更高的效率。其限制是無法直接監(jiān)測和調(diào)節(jié)TX，而TX是一個實際變量，其值會受給定的參考值的約束。（2）熱電制冷。熱電制冷主要利用珀爾帖效應將器件溫度傳至環(huán)境中，其制冷效果主要取決于電偶對材料的熱電勢。由于半導體材料具有較高的熱電勢，因此，可以用它來制成小型的熱電制冷器。由于熱電制冷器不需要介質(zhì)，又無機械部件，可靠性高，并可以逆向運轉，而且溫度可以精確地控制在±0.01℃，在電子設備或電子元器件的熱控制方面得到了比較廣泛的應用。早期的熱電制冷主要注重靜態(tài)的熱負載的研究，但隨著電力電子技術的發(fā)展，器件工況越來越復雜，就需要將器件溫度作為一種動態(tài)熱負載來看待，即需要考慮更多的問題如額外功耗以及新的控制電路等。目前，熱電制冷（TEC）已成為制冷領域的一個重要發(fā)展方向，但是由于其轉換效率過低且材料成本較高，難以得到廣泛應用。

3.2IGBT模塊焊料層狀態(tài)監(jiān)測

焊料層是IGBT模塊散熱路徑中的重要通道，也是封裝失效的薄弱環(huán)節(jié)，其狀態(tài)監(jiān)測對系統(tǒng)可靠性極為重要。焊料層老化會直接影響IGBT模塊的結溫變化，通過監(jiān)測殼溫、結溫、熱阻來評估模塊的健康狀態(tài)，是最直接有效的方式。

3.3內(nèi)部熱控制

（1）開關頻率。功率器件在應用中，開關頻率的大小直接影響開關損耗，因此可以通過調(diào)節(jié)開關頻率對器件結溫進行控制。，主要用改變脈沖寬度調(diào)制（PWM）的頻率來限制最大結溫。（2）開關驅(qū)動波形調(diào)整。器件開關損耗還受門極驅(qū)動信號的影響，因此可以通過調(diào)整開關驅(qū)動波形實現(xiàn)損耗控制。實現(xiàn)方式是通過外部驅(qū)動電路設計以調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的幅值、上升時間、下降時間等。因此，該方法對驅(qū)動電路的精度和速度有著較高要求。

結語

IGBT模塊偶爾發(fā)生一次損傷，長期損傷累積就會造成器件失效，因此功率器件失效是必然發(fā)生的，關鍵是何時開始失效。尤其當多種失效機制相互作用，使器件失效加速，為降低系統(tǒng)失效率，提高系統(tǒng)可靠性，功率器件健康狀態(tài)監(jiān)測成為提高電力電子可靠性的一種有效經(jīng)濟手段。

參考文獻

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