考慮功率循環的IGBT可靠性分析*

曾定軍 崔乃東 劉 威 鄧 歡

（中國船舶重工集團公司第709研究所 武漢 430205）

1 引言

電力電子技術在新能源汽車、新能源發電、電能傳輸等領域中已逐漸占據重要地位。隨著電力電子裝置的廣泛使用時，其可靠性問題得到了國內外研究學者的關注。大量的研究學者致力于提高電力電子系統的可靠性和評估電力電子系統的可靠性［1］。

通過國外的工業調研的統計數據可知，在電力電子裝置中不同元器件的故障率不同，具體數據呈現如圖1所示［1］。其中，電力電子裝置中表現出故障率最高的是功率半導體器件，故障率占有比例大于30%；對于電容而言，故障率為20%；其他元器件的失效率排序依次是：驅動器、連接器、電感、電阻、其他元器件。通過圖1可以得出，功率半導體器件是整個電力電子裝置中的最薄弱環節，其使用壽命極大地制約了整個裝置的使用壽命。

圖1 電力電子系統中各元件的失效率

在電力電子裝置中，外部的機械振動、裝置內部的高溫環境、各個元器件與印制板的寄生參數引起的EMI等問題，使功率半導體器件的工作在一個電、熱、磁的多物理場環境中。通過各研究學者對功率半導體器件的主要失效機理分析得出，引起功率半導體失效的主要因素為熱應力［2～9］。常用于中、大功率的半導體器件為MOSFET和IGBT，而IGBT是一種集雙極結型晶體管（BJT）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）優點于一體的功率開關器件。BJT具有優越的電流密度，而MOSFET可以通過電壓控制，IGBT是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產品［10］，因此本文將重點分析IGBT的物理失效機理和可靠性分析流程。IGBT模塊的截面圖如圖2所示，IGBT模塊內部的熱量通過多層結構傳導到散熱片中，然后通過散熱片以對流的方式傳遞到環境中。

圖2 IGBT模塊的截面圖

已有大量的研究表明，熱應力引起的IGBT的物理失效機理有兩種［11～12］：第一種由于流過IGBT內部PN結周期性的電流變化，會產生功率循環，進而引起循環熱應力，這種循環熱應力會引起鋁連接線的微運動，進而使鋁連接線從芯片的金屬覆層上脫落或發生斷裂；第二種是在組成IGBT的疊層結構中，芯片與基板之間的連接材料與芯片和基板的熱膨脹系數（CTE）不同，當IGBT的使用環境溫度變化時，每一種材料由于受熱和冷卻時的膨脹程度不同，相連接的兩種材料的熱膨脹系數相差越大，連接點在外部溫度變化時承受的壓力越大，最終使連接點的老化變形。雖然對于研究IGBT的失效機理進行了廣泛的理論研究，但是少有文章對IGBT在實際電路中的壽命和可靠性進行量化，因此不利于分析IGBT在實際電路中的可靠性評估。因此本文基于功率循環引起的失效模式，來量化分析IGBT的可靠性。

2 IGBT可靠性評估流程

根據功率循環引起IGBT的失效模式可知［11］，IGBT的失效原因是內部鋁連接線跟隨負載功率波動引起的老化斷裂導致的。因此本文根據該失效模式得出圖3所示的IGBT的可靠性評估流程。具體流程如下。

圖3 IGBT的可靠性評估流程

1）確定IGBT的功率損耗

根據IGBT的開關特性可知，IGBT在導通時，集電極電流通過IGBT的而產生導通損耗，IGBT在開通和關斷過程中會產生開關損耗，IGBT的功率損耗計算可以通過式（1）、（2）和（3）來得到。其中，在正常工作情況下ic為IGBT集電極電流，vce為集電極電流流過IGBT的導通電阻時的集電極-發射極電壓，D為IGBT在導通占空比，Pcon為IGBT導通損耗，Psw為IGBT開關損耗，Eon為IGBT每一次開通時的損耗能量，Eoff為IGBT每一次關斷時的損耗能量。

2）確定IGBT的結溫

IGBT在工作過程中產生功率損耗，會以熱量的形式傳導出來，根據熱力學的知識可知，IGBT的功率損耗與IGBT內部PN結與外部環境傳導通路上熱阻的乘積為IGBT內部PN結與外部環境之間的溫度差，因此IGBT的內部結溫可以通過式（4）計算得出，其中，Tj為IGBT內部PN結的溫度，Tc為IGBT外部環境的溫度，Zth(j-c)為IGBT內部PN結與外部環境之間傳導通路上的熱阻抗。

3）計算IGBT的B10壽命

根據文獻［4］中所提出的IGBT壽命模型-Bayerers模型可知，影響IGBT壽命的直接原因為IGBT內部PN結的溫度周期性變化。Bayerers壽命模型如式（5）所示，其中ΔTj為IGBT內部PN結溫曲線在一個周期內的峰峰值，Tjm為IGBT內部PN結溫曲線在一個周期內的平均值，ton為IGBT在正常工作環境中的導通時間。通過Bayerers壽命模型可以計算出IGBT在實際工況下的最大循環周期數［11］。Bayerers壽命模型中的參數A、β1、β2和β3與IGBT的制造工藝有關［5］，各參數值如表1所示。通過，最后通過Bayerers壽命模型得出的最大循環周期數與IGBT工作時的系統周期可以得出IGBT的使用壽命，通常認為以這種方式求出來的IGBT的壽命有90%的置信區間。即IGBT在此工況下使用時，有90%的概率為該壽命，該壽命值為B10壽命［12～14］。

表1 Bayerers模型參數值

4）計算IGBT的可靠性

常用于評估元器件的可靠性的可靠性模型有指數分布、正態分布和Weibull分布，由于指數分布和正態分布為威布爾分布的特殊形式，因此現在常用威布爾分布函數作為電子元器件和電子電路的可靠性模型。IGBT的可靠性模型可以用二參數的Weibull分布函數表示［13］，如式（6）所示，其中η為器件的特征壽命，β為Weibull函數的形狀因子。IGBT的Weibull分布的形狀因子β選取2.5。

根據第三步中求得的B10壽命和可靠性的定義可知，B10壽命為Weibull分布函數曲線上的一個特殊點，即R(B10)=0.9。因此，可以確定Weibull分布中的特征壽命η，進而計算出IGBT在該工作環境中的可靠性模型。

3 IGBT的熱仿真

通過前面一節中IGBT的可靠性評估流程可知，如何得出IGBT在額定工作環境工作時的結溫曲線是IGBT的可靠性評估的核心部分。因此本文通過建立IGBT在實際工作環境中的熱仿真模型，用來仿真IGBT在額定工況下的結溫曲線。IGBT的熱仿真過程如下：第一步根據IGBT的器件手冊，在PLECS中建立IGBT的熱描述文件，熱描述文件中包含IGBT在不同溫度、不同電壓、不同工作電流下的損耗曲線；第二步是在PLECS軟件中建立IGBT在額定工況下的仿真模型，該模型是一個包含電-熱耦合的仿真，通過電場和溫度場的耦合，可以仿真出IGBT在額定工況下的結溫曲線。

圖4 英飛凌IGW20N60H3的熱描述文件

4 仿真驗證

本文在PLECS中搭建單相逆變器的熱仿真模型，如圖5所示。其中IGBT熱仿真模型采用第三節中已建立的英飛凌IGW20N60H3的熱描述文件，散熱器采用二階RC熱阻抗模型等效，如圖6所示，其中熱阻RT1、RT2為散熱器的穩態熱阻，決定了散熱器的散熱性能；熱容CT1、CT2為決定了溫度變化的瞬態過程，即溫度變化的快慢。本文中選取散熱器的參數如表2所示，環境溫度為25℃。單相逆變器的其他元器件參數根據標準化設計［15］，得系統參數如表3所示。

表2 散熱器的熱阻抗參數

表3 系統參數

圖5 單相逆變器的熱仿真模型

圖6 二階RC熱阻抗模型

仿真結果如圖所示，其中圖7中從上而下依次為逆變器的輸出電壓、電流波形；圖8為IGBT內部的PN結的溫度波形；圖9為IGBT在一個周期內的損耗波形；根據仿真結果可知，IGBT內部的PN結溫度平均值為70℃，峰值為30℃，將IGBT內部的PN結溫度的平均值和峰值帶入IGBT的壽命公式可得，IGBT的B10壽命為66.5年，進而根據可靠性模型可以得出圖10所示的IGBT可靠性曲線；從IGBT的損耗曲線可知，IGBT的損耗隨輸出功率的變化而變化，且最終影響了IGBT結溫的周期性變化。

圖7 輸出電壓電流波形

圖8 IGBT的結溫波形

圖9 IGBT損耗曲線

圖10 IGBT的可靠性曲線

5 結語

本文根據IGBT的物理失效模型，提出了考慮功率循環的IGBT可靠性分析流程，并對每一個過程進行了詳細的闡述。然后通過在PLECS仿真軟件中建立熱仿真模型，并通過器件手冊建立了英飛凌IGW20N60H3的熱描述文件，進而得出在1kW單相逆變器中IGBT器件的熱應力曲線，最后根據Bayerer模型和Weibull分布得出IGBT的B10壽命和可靠性，實現了IGBT可靠性的量化過程。