基于開通延時變化的多芯片IGBT 模塊部分芯片失效監測方法

摘要：多芯片絕緣柵極雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）模塊被廣泛應用于大功率變換器中，對其進行狀態監測可以有效提高電力設備可靠性。文中提出了一種基于開通延時變化的多芯片IGBT 模塊部分芯片故障檢測方法，分析了芯片失效對開通過程的影響，指出了芯片失效與開通延時的關系，基于開通延時與失效芯片數的映射關系提出了對應的故障監測方法，并通過實驗驗證了方法的有效性。實驗結果表明：文中所提方法可用于多芯片模塊的健康狀態監測，對提高變流器的運行可靠性具有重要意義。

關鍵詞：故障診斷；IGBT；多芯片模塊；開通延時；狀態監測

中圖分類號：TM46 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）03-014-13

隨著節能環保意識的增強，功率變換器被越來越多地應用于可再生能源領域。隨著應用需求的增大，功率變換器的功率等級也隨之提升，對其運行要求也逐漸升高。功率等級上升后芯片工作所需的導通電流增大，現有單芯片模塊的技術可能已經無法滿足應用需求[1]，常采用在模塊內部封裝多個IGBT 并聯芯片結構，以實現更大功率工況下的運行能力。因此，多芯片IGBT 模塊的運行可靠性問題受到了越來越多的關注。

焊料層疲勞是功率模塊老化的主要原因[2]，然而它并不會直接導致模塊故障。導致模塊失效的主要途徑為引線失效[3]。單個IGBT 芯片在其所有鍵合線失效后會發生開路故障而停止工作[4]，而多芯片模塊中部分芯片失效后運行電流會重新分配到剩余芯片上，此時模塊雖然可以繼續運行，但是剩余芯片將承受較大的電流導致模塊加速老化，故可以將鍵合線脫落引起的芯片失效作為多芯片模塊故障的前兆[5]。

近年來，對多芯片IGBT 模塊可靠性的研究較多地集中在故障檢測上，及時檢測到模塊中部分芯片的失效并及時制定對應的維護措施，可以有效地保證模塊的運行可靠性[6]。由于多芯片模塊結構的特殊性，諸多傳統的單芯片監測方法難以直接應用在多芯片模塊[7]。現有針對多芯片并聯模塊的狀態監測方法還較少，根據檢測原理可以分為2 類：基于內部集成傳感器的方法和基于模塊端部監測電氣參量的方法。

基于內部集成傳感器方法有Dalessandro 等[8]提出的模塊內部集成電流傳感器來監測模塊健康狀態；Chen 等[9]提出的每個芯片均架設監測線路的新型結構來實現模塊的健康評估；Tomonaga 等[10]通過內置微型磁場傳感器實現對狀態檢測。該類方法雖然能有效檢測到多芯片模塊內部各芯片模組的健康狀態，但是需對模塊內部封裝進行布局調整，侵入性較強，實施難度較大。

基于模塊端部監測電氣參量的方法是通過基于準閾值電壓[5]、閾值電壓[11]、充電時長[12]、模塊跨導[13]和導通壓降[1]等電氣參量實現對模塊狀態監測的方法，其優點是對模塊侵入性較低。其中基于導通壓降的方法需要增加高電壓、大電流工況下具備較復雜的鉗位、隔離等功能的測量電路，難以應用在大功率工況下，基于門極信號的方法雖然具備較高的準確度，但在實際運行中由于監測信號的干擾和門極信號的波動，難以獲取完整的門極信號[14]。所以對于多芯片模塊的芯片失效監測仍然需要簡單有效的方法。

文中提出了一種新的IGBT 多芯片故障檢測方法，通過測量開通延時的變化來檢測IGBT 芯片故障。首先，分析了多芯片IGBT 模塊的結構特性，研究了多芯片IGBT 模塊的開通機理。然后，分析了芯片失效對開通過程的影響，發現模塊開通延時與失效芯片數目具備較強的關聯規律。最后，基于開通延時和芯片失效的映射關系，提出了基于開通延時變化的多芯片IGBT 模塊芯片失效監測方法，并通過實驗驗證了方法的準確性和有效性。

1 多芯片IGBT 模塊開通過程分析

1.1 多芯片IGBT 模塊結構

多芯片并聯模塊主要是由多個同型號IGBT 芯片通過鍵合引線并聯至共同的門極、發射極和集電極，通過外部統一端口工作以增強大功率工況下的工作能力，其電氣結構如圖1（a）所示。圖1 中展示了擁有n 個芯片的并聯模塊，其中CGEn 為各芯片的柵源電容（容值CGE），CGCn 為各個芯片的柵漏電容（米勒電容，容值CGC），Rintn為各芯片對應的門極內阻（阻值Rint）。多個內部芯片通過共同的門極、集電極、發射極連接組成為多芯片并聯的模塊。

根據并聯多芯片模塊的物理結構可以將其等效電氣結構簡化，如圖1（b）所示，其中CGE_total、CGC_total、Rint_total分別為等效的總柵源電容、總米勒電容和總門極內阻，其等效參數與芯片數量的關系如式（1）所示。當多芯片模塊芯片失效后會引起模塊內部的參數變化，并最終導致動態特性的變化。因此，提取模塊的全局動態特性變化有助于提取其對應的失效特征。

CGC_total = nCGC， CGE_total = nCGE， Rint_total =Rint／n。（1）

1.2 多芯片IGBT 模塊開通過程分析

IGBT 的動態開關過程主要包括其開通過程和關斷過程，IGBT 導通前需要門極電壓上升至閾值電壓，開通延時的測量只需測量門極信號和導通電流的變化[14]；而IGBT 關斷前需要門極電壓降低至閾值電壓，此外還會受到導通電流和門極電壓的影響[15]，關斷過程的測量也需要測量導通電流的變化或者更為復雜的隔離電路檢測集射電壓的變化[16]。

IGBT 開通過程的波形如圖2 所示，根據運行機理可以將其分為3 個階段[17]：開通延時、電流上升時間和米勒平臺充電時間。

1.2.1 開通階段一：開通延時（t0～t1）

在開通初期門極觸發導通信號，門極電源VG由負壓轉向正壓，此時門極電源電壓VGE經過門極內阻Rint和門極外阻Rext向各芯片對應的CGE和CGC進行充電。此時門極電壓低于打開IGBT 溝道的閾值電壓VTH，因此電流并未發生變化。開通延時過程的等效電路如圖3 所示。

門極電壓信號從零電位開始增大，門極電壓信號變化為

VG （ t ）= VGE （1 - exp （ - t/ （Rext_total + Rint_total ） （CGC_total + CGE_total ） ））。（2）

將VG=VTH代入式（2），可求出預充電階段的持續時間為

將多芯片模塊的電氣參數式（1）代入式（3），可得到對應的開通延時持續時間為

根據式（4）可知，開通延時的變化只與芯片的閾值電壓和RC 時間參數有關，而與其工況的母線電壓和導通電流無關[18]。當芯片失效后引起工作芯片數量減少使得回路中電阻和電容減小，充電回路的時間常數降低，提升了米勒電容和柵源電容的充電速度。因此當部分芯片失效后導致多芯片模塊開通過程中的開通延時階段持續時間降低。

1.2.2 開通階段二：電流上升時間（t1～t2）

在開通階段，隨著門極電壓超過閾值電壓后IGBT 芯片開始導通，此時集射電壓仍然保持在母線電壓而導通電流IC 從0 上升，直到門極電壓上升到米勒平臺電壓VGP 處以維持對應導通電流的。此階段的持續時間可以視為門極電壓從閾值電壓上升至米勒平臺的持續時間。該階段的等效電路同圖3 所示。

根據式（2）可以提取出門極電壓上升至米勒平臺的時間，為

t2 - t0 = （Rext_total + Rint_total ）·[CGC_total + CGE_total ] ln （ VGE／VGE - VGP ）。（5）

結合式（3）和式（5）可以獲得階段二電流上升階段的持續時間，為

t2 - t1 = （t2 - t0 ） -（t1 - t0 ） = （Rext_total + Rint_total ）·（CGC_total + CGE_total ） ln （VG - VTH／VG - VGP ）。（6）

米勒平臺電壓VGP 為維持電流導通的最低門極電壓，通常可以根據芯片上的跨導gm，各芯片上的導通電流Is進行定義，為

將式（7）和式（1）代入式（6），可得到多芯片模塊對應的電流上升階段持續時間，為

芯片的失效雖然會引起門極充電回路時間常數減小而加快充電速度，但也增大各芯片上的導通電流而造成米勒電壓上升進而延長充電時間。兩者共同作用于電流上升階段，使得該階段的持續時間與失效芯片數可能呈現出正相關、負相關或不相關。

1.2.3 開通階段三：米勒平臺充電階段（t2～t3）

當門極電壓上升到米勒平臺后，柵源電容CGE的電壓不變以保持電流導通，集射電壓開始降低，門極電流均用于米勒電容的充電。該階段的等效電路結構如圖4 所示。由于門極電壓保持不變，使得門極回路的充電電流也保持恒定，為

由于門極電流均用于米勒電容的充電，而集射電壓的變化也與米勒電容相關，米勒電容上電壓的變化可以根據集射電壓和門極電流的變化提取，為

根據式（10）和母線電壓VBUS 的變化趨勢可以推導出集射電壓VCE 的表達式（假設CGC 在開通過程中保持不變[17]），為

在米勒平臺充電完成后，此時芯片上的集射電壓VCE 由母線電壓VBUS下降至導通壓降VON，該階段的持續時間為

多芯片模塊上的導通壓降VON受到各芯片導通電阻RON和IS的影響，其表達式為

VON = RON IS = RON IC n。（13）

將式（1）和式（13）代入式（12），可將該階段的持續時間改寫為關于芯片數量的表達式，為

由式（14）可知，芯片失效不僅會引起門極充電回路的時間常數降低，還會引起芯片導通壓降增大，使得模塊從母線電壓降低至集射電壓的時間進一步縮短。這2 種效應共同作用，導致米勒平臺充電階段的持續時間減少；然而米勒平臺電壓的上升卻延長了該階段的持續時間。在多因素相互作用下使得芯片失效后該階段的持續時間充滿了不確定性。

由多芯片IGBT 模塊的開通過程可以看出，開通延時階段受芯片失效數增大的影響導致持續時間的降低，而電流上升階段和米勒平臺充電階段的變化規律受到芯片參數影響，不同芯片參數下都可能導致不同的變化結果。同時，表1 總結出開通延時僅受芯片數量、閾值電壓、RC 時間參數和門極電阻的影響，受工況變化影響極低。因此，文中采用多芯片模塊的開通延時作為特征以監測芯片失效。

1.3 基于開通延時的多芯片模塊失效監測方法

根據1.2 節的分析可知，芯片失效后會對多芯片IGBT 模塊的開通過程造成影響，其特性變化如表2 所示。芯片失效后引起剩余芯片數量降低，各剩余芯片上的導通電流增大。電流增大后引起各芯片的導通壓降上升并且維持電流所需的米勒平臺電壓增大。雖然閾值電壓保持不變，但是門極充電回路的RC 時間常數隨著芯片失效而降低。最終隨芯片失效引起顯著變化的只有開通延時。

芯片失效前后多芯片IGBT 模塊的開通過程變化如圖5 所示。開通過程只有開通延時受到門極回路充電常數降低的影響而減少，同時電流上升階段和彌勒電容充電時間的變化存在不確定性，并最終引起IGBT完整開通時間變化的不確定性。因此，開通延時被選取作為表征芯片失效的特征參量。

芯片失效引起IGBT 的開通延時降低，通過對比不同芯片數量n 和n'下開通延時ton_delay（n）和ton_delay（n'）可以提取出開通延時關于失效芯片數量的靈敏系數?，為

η =ton_delay （n） - ton_delay （n′）／n - n′。（15）

根據提取出的靈敏系數，比對失效后開通延時t'on_delay 與健康時的變化，即可計算出多芯片模塊中的失效芯片數nfail，為

nfail =ton_delay - to′n_delay／η。（16）

在監測多芯片模塊開通時間延時后，根據式（16）對比可以提取出失效的芯片數量，并在芯片失效數到達標準后進行更換，以保證模塊的可靠運行。

2 實驗驗證和結果分析

2.1 實驗平臺搭建

為驗證文中所提方法，在實驗室中搭建雙脈沖測試平臺監測多芯片模塊的開通過程變化。實驗電路參數如圖6（a）所示，一個450 V 電源作為母線電源供電，穩壓電容為1 000 μF，電感為80 μH 的鐵芯電感，二極管使用的是TOKMAS 公司的CI30S65D3L2。由于完整多芯片模塊難以定量進行加熱分析，為模擬多芯片模塊的實際工作情況，文中以芯長征公司650 V/40 A 的IGBT 模塊MPBW40N65BU 作為待測對象，使用6 個IGBT 模塊并聯模擬多芯片IGBT 模塊。在實際運行中單個模塊的正常工作電流為40 A，極限導通電流為80 A，為保證器件運行在安全工況內，設置60 A 電流為基準工況。根據數據手冊的正常工況，IGBT 的驅動電阻被設定在10 Ω，門極電源為15 V，實驗室環境溫度為25 °C。模塊的門極信號使用示波器直接通過BNC 接口進行采集，模塊的集射電壓通過隔離探頭轉換后輸入到示波器中，模塊的導通電流通過羅氏線圈進行采集。雙脈沖信號通過信號發生器產生后輸送到IGBT 驅動中控制模塊的開關。實驗中的芯片通過加熱臺加熱控制芯片工作在設定的溫度下，實驗平臺如圖6（b）所示。

實驗環境的測試參數如表3 所示。通常為避免電源波動對功率模塊的運行造成影響，功率模塊承受的電壓一般設置為母線電壓的1.5～2 倍[18]。文中所用模塊能承受的最大母線電壓約為300～400 V，能確保模塊的正常運行。由于實驗中需要監測不同溫度下芯片失效對開通延時的影響，該模塊的正偏安全工作區如圖7所示。該芯片在25 °C 溫度工況下，極限運行電流為80 A、400 V 工況下僅能運行數微秒，如紅色虛線部分所示，此時對雙脈沖電路的脈沖寬度提出了極為嚴苛的要求，要求加熱時間極短。在100 °C 工況下最大運行電流甚至降低到40 A，此時的安全工作范圍會急劇減小。若仍設計400 V 作為母線電壓，可能會導致在實驗過程中芯片發生破壞。母線電壓并不會對開通延時過程造成影響。因此，文中以200 V 作為基本測試工況，此時安全工作區域如圖7 中紅色實線部分所示，具備了較大的安全工作范圍。

由于IGBT 的電流突變點難以測量，因此根據文獻[19]定義電流從0 上升到最大值10% 的時間為開通延時，集電極電流從最大值10% 上升到90% 的時間定義為上升時間，集射電壓降低到導通電壓的時間為米勒平臺充電階段時間。

2.2 芯片失效對開通延時的影響

在實驗中，通過依次移除IGBT 芯片以模擬多芯片模塊中芯片失效的情況，模塊集射電壓、門極波形和電流的變化如圖8 所示。當6 個芯片都健全時，如圖8（a）所示，IGBT 開通初期電壓和電流保持不變，門極電壓上升到閾值電壓后芯片開始導通電流，此時階段1 開通延時的持續時間為113.6 ns；階段2 時導通電流隨著門極電壓增大而繼續上升并到達導通電流值，門極電壓由閾值電壓上升至米勒平臺，門極電路對米勒電容繼續充電，該階段持續時間為307.2 ns；隨后，電流保持不變而集射電壓開始下降，并最終降至導通電壓，該階段持續時間為283.2 ns。

去除5 個芯片僅剩余1 個芯片后，如圖8（b）所示，在相同工況下，開通過程中開通延時階段的持續時間降低至49.6 ns；而階段2 電流上升時間也大幅上升至860 ns；同時，階段3 米勒平臺充電時間則降低至114 ns。可以看出，芯片失效后對多芯片模塊開通過程中的開通延時造成了明顯的變化。雖然通過門極電壓變化可以提取開通延時，但是在實際應用中門極電壓測量的噪聲和波動難以監測[20]。通過監視門極電壓變化和導通電流變化求取開通延時可以避免門極振蕩和噪聲的影響，文中分析主要集中在導通電流和集射電壓的波形。芯片失效前后集射電壓和導通電流的波形變化如圖9（a）所示。圖中可以看出，在多芯片模塊中芯片失效加速了IGBT 的開通過程中的開通延時部分。IGBT 開通過程的時間組成如圖9（b）所示，可以看出，組成開通延時隨著芯片失效而顯著降低，雖然階段2 和階段3 分別增大和減小，但是根據式（8）和（14）可知，這2個階段的變化與芯片參數有較強的相關性，不具備有效提取出失效芯片數的普適性。

實驗監測結果如表4 所示。每個芯片失效導致開通延時降低了約10%，即每個芯片失效均會降低約12 ns 的開通延時。因此，文中所提方法通過開通延時的變化來監測芯片失效具備了一定的可行性和有效性。

2.3 開通延時測量的靈敏度分析

根據式（4）可知，開通延時只受到閾值電壓和門極充電回路參數的影響，文中主要分析相關因素對開通延時監測的影響。

2.3.1 結溫變化

IGBT 芯片失效會引起剩余芯片上的電流增大損耗上升，而損耗增大導致其結溫上升。研究表明，IGBT芯片結溫上升后，引起閾值電壓[11]減小和米勒電容[21]增大，最終可能會引起開通延時變化。因此，需要研究結溫變化是否會在芯片失效后對開通延時的測量造成干擾。通過加熱臺控制加熱片分別加熱各芯片至25 °C和100 °C，并在加熱30 min 后芯片到達熱穩態再進行測試。

在不同溫度下，分別模擬不同芯片失效后測量的開通波形如圖10（a）所示。芯片溫度上升后芯片的開通延時出現了少量的降低，不同溫度下開通延時階段的持續時間如圖10（b）所示。雖然結溫上升75 °C 后開通延時降低了2%，但是與芯片失效引起的10% 的變化相比微乎其微。結溫上升會引起開通延時降低，但是對開通延時的影響遠低于芯片失效的變化，因此如文獻[21]所言，IGBT 開通延時受到溫度的影響極小。然而在運行時芯片并不會產生如此大幅度的結溫變化，實際上溫度變化對開通延時的影響會更低，故溫度波動并不會影響用開通延時監測芯片失效。

2.3.2 門極電阻

門極電阻是驅動調節IGBT 開關速度最為重要的部件之一，通過控制門極電流的大小直接影響到IGBT的開關速度。通常門極電阻的大小主要由開關頻率所需決定，因此也需要研究門極電阻對開通延時測量的影響。不同門極電阻下的開通波形如圖11（a）所示。可以看出，門極電阻越大，門極電流越小，開通延遲時間更長，芯片失效引起的開通延時變化也越大。

提取不同門極電阻下的開通延時持續時間如圖11（b）所示，隨著門極電阻的增大，開通延時出現了明顯上升，芯片失效相關的靈敏度由10 Ω 時的12 ns/每芯片上升到了20 Ω 時的27 ns/每芯片。在大門極電阻下，開通延時的變化更加明顯，這使得低頻的應用場景中更容易監測芯片失效。可以看出，開通延時高度依賴門極電阻的變化，且必須對不同應用場景中不同開關頻率需求的門極電阻進行校準處理，確保對應監測結果的準確性，也可以通過選擇較大門極電阻的監測電路降低監測的難度。

開通延時的測量靈敏性變化如圖12 所示。可以看出，除了門極電阻影響較大外，溫度的影響極小。由于開通延時變化不受導通電流和母線電壓變化的影響[14]，使用開通延時的測量具備較好的適用性。

3 討 論

文中所提監測方法都可以檢測出多芯片模塊的健康狀態，為功率變流器的運維提供參考信息，文中所提方法流程圖如圖13 所示，具體流程如下：

1）校準開通延時和失效芯片數的關系。通過校準不同工況下的開通延時的變化靈敏度可以更準確地獲取其與芯片失效數對應變化關系。

2）初始化監測條件。監測時根據實際運行環境選擇對應的靈敏度參數變化可以提升監測準確性。

3）測量開通延時并更新芯片失效數量。通過監測對應運行環境下的開通延時變化并根據對應的靈敏度和初始值根據式（16）計算對應的失效芯片數。根據計算的結果設置并更新失效的芯片數量。

4）判斷是否到達失效標準。比較芯片數量和失效標準的關系，當失效數量低于失效標準時，則繼續返回步驟2）進行監測，并重復步驟1）～4）。若到達失效標準后則對變換器進行停機維護措施處理。

開通延時是根據模塊的結構和參數決定的，通常相同型號的IGBT 模塊都具備相似特性。模塊的失效標準通常與其運行工況和結構參數相關，模塊的芯片數量、運行性能、運行工況都決定了模塊不同的失效標準。根據實際工況設定合適的失效標準有利于提升模塊的運行可靠性和經濟性[12]。目前，對功率變換器的監測大多需要進行停機處理，然而停機監測的頻率低、停機后變換器無法工作的特點對變換器的正常運行造成了一定的困擾。開通延時的測量只需要通過監測門極電壓開始上升的時間和電流變化的時間即可以實現測量，不需要針對集射電壓的降壓電路或者隔離電路，實現開通延時的提取。例如，文獻[14]提出的針對開通延時的測量電路即可在實際應用中集成在門極驅動中以實現開通延時的測量。

文中根據前期研究總結了不同的多芯片模塊中芯片失效監測方法，如表5 所示。使用附加傳感器的監測方法雖然較為準確，但是均需要更改模塊結構使得方法的侵入性較高，可行性較低；基于門極充電時間的監測方法需要特殊驅動在器件關斷期間注入恒流導通信號實現充電時間的測試，對于監測控制、驅動都提出了一定的需求；跨導測量除了難以實時在線外，還需要特殊的驅動進行監測，并且還要避免在零溫點進行測試，是一種較難測量的參量；導通壓降測量更為簡單，但是需要復雜的隔離降壓電路；準閾值電壓法也需要完整的門極波形和特定的采樣時間點才能進行測試；關斷延時的測量對于運行工況中的電流變化和母線電壓的測量有一定的要求；測量開通延時也需要對應的電路，但是對采樣環境無要求，可以在不同電流工況下測量，不需要復雜的隔離電路和完整的門極信號采集，是一種具備應用潛力的監測方法。

4 結 論

針對多芯片模塊中的芯片失效監測問題，文中從IGBT 的開通機理出發探究了芯片失效對多芯片模塊開通過程的影響，并提出了一種基于開通延時變化的多芯片模塊芯片失效監測方法。研究結果表明：

1）芯片失效后會加速開通過程中開通延時階段的持續時間，而對電流上升階段和米勒平臺充電階段的影響卻無法確定。因此，IGBT 的開通延時隨著多芯片模塊中芯片的失效而降低。

2）提出了一種基于開通延時變化監測芯片失效的識別方法，并通過實驗結果證明了方法的有效性，能夠實現芯片的健康狀態監測。

文中提出的方法在運行中是一種容易校準并且實現的監測方法，能夠有效地實現對多芯片模塊進行故障識別從而提升IGBT 模塊的運行可靠性。在未來的研究中可以將該方法嵌入到功率變換器中，為其安全可靠運行和狀態維修提供理論和數據支撐。

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（編輯 詹燕平）

基金項目：國家自然科學基金資助項目（5200070692）；高等學校學科創新引智計劃（111 計劃）資助項目（B08036）。Supported by National Natural Science Foundation of China（5200070692）， and National“ 111” Project（B08036）.