蘇榮杰 杜明星 李 豹

1(天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院 天津 300384) 2(國網(wǎng)浙江海鹽縣供電有限公司 浙江 嘉興 314300)

0 引 言

隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,具有驅(qū)動功率小、開通速度快、飽和壓降低等優(yōu)點(diǎn)的IGBT模塊成為應(yīng)用最廣泛的功率半導(dǎo)體器件之一,是許多在嚴(yán)苛和不確定工況下運(yùn)行的電力電子系統(tǒng)的核心部件,例如機(jī)車牽引、電動汽車、航空航天和可再生能源等領(lǐng)域[1-4]。有研究表明[5],負(fù)載變化會使功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)生附加應(yīng)力,如電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力等,從而導(dǎo)致其疲勞損傷和高故障率。因此,作為承載電力電子系統(tǒng)電能變換的IGBT模塊,是最容易失效的部分之一[6]。

因功率循環(huán)引起的鍵合線老化和焊料層疲勞是IGBT模塊最主要的失效形式之一[7]。焊料層老化的原因是IGBT模塊具有多層結(jié)構(gòu),且每層結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)不同,電力電子系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量使得IGBT模塊結(jié)溫產(chǎn)生變化,焊料層處受結(jié)溫變化影響會發(fā)生塑性應(yīng)變從而導(dǎo)致IGBT模塊的焊料層老化損傷[8]。常見的IGBT模塊鍵合線的老化損傷有兩種,一種是鍵合線根部裂紋,另一種是鍵合線斷裂[9]。鍵合線根部裂紋通常是由焊料層疲勞損傷直接引起的,而鍵合線斷裂一部分是焊接處斷裂,另一部分是鍵合線老化斷裂。因此,IGBT模塊工作時(shí)的結(jié)溫及其健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測對保證電力電子系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

溫度敏感電參數(shù)(Temperature Sensitive Electrical Parameter,TSEP)因其溫度響應(yīng)快而常被應(yīng)用于IGBT模塊結(jié)溫及其老化狀態(tài)的監(jiān)測[10]。Xu等[11]將短路電流作為溫度敏感電參數(shù),通過試驗(yàn)得到了溫度與短路電流的線性關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊的結(jié)溫實(shí)時(shí)估計(jì)。Luo等[12]利用IGBT模塊的輔助發(fā)射極和功率發(fā)射極之間的寄生電感來提取關(guān)斷延遲時(shí)間,驗(yàn)證了結(jié)溫與關(guān)斷延遲時(shí)間的單調(diào)關(guān)系。短路電流之所以成為IGBT模塊的TSEP,不僅是其具有足夠的溫度靈敏度,而且還能夠精確表征IGBT模塊鍵合線的老化損傷程度和測量IGBT模塊結(jié)溫。但作為TSEP,短路電流也有一些不足之處,比如它會受到結(jié)溫以及鍵合線老化狀態(tài)的耦合影響等。因此,為了利用短路電流精確表征IGBT模塊的老化狀態(tài),必須對溫度與鍵合線老化狀態(tài)的耦合關(guān)系進(jìn)行處理。對于同一IGBT模塊,在不同結(jié)溫下的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線在一個(gè)點(diǎn)相交,該交叉點(diǎn)上的短路電流不受結(jié)溫的影響?；诖?Sun等[13]提出了一種基于轉(zhuǎn)移特性曲線交叉點(diǎn)的IGBT模塊鍵合線老化的監(jiān)測方法,利用交叉點(diǎn)的特性去耦結(jié)溫對短路電流的影響,通過測量鍵合線不同老化程度下交叉點(diǎn)的短路電流,實(shí)現(xiàn)對鍵合線老化狀態(tài)的評估。然而,當(dāng)短路電流值高于或低于交叉點(diǎn)電流時(shí),該方法的監(jiān)測精度將受到影響。

為了解決上述問題,文中引入與短路電流相關(guān)的IGBT模塊集電極-發(fā)射極通態(tài)電壓,將其分解為芯片閾值電壓、芯片通態(tài)壓降和封裝電路壓降三個(gè)部分,并討論了各部分電壓的計(jì)算方法。其中,IGBT模塊的封裝電路壓降可表征鍵合線老化狀態(tài),通過解耦結(jié)溫的影響,實(shí)現(xiàn)在輸出特性曲線交叉點(diǎn)以外區(qū)域鍵合線老化狀態(tài)的精確監(jiān)測。

1 方法分析

1.1 鍵合線老化對短路電流的影響機(jī)理

鍵合線老化損傷主要是由于溫度波動以及硅和鋁之間的CTE不同,在鍵合線和芯片相連界面處產(chǎn)生的熱-機(jī)剪切應(yīng)力引起的。當(dāng)硅芯片和鋁鍵合線的溫度波動為ΔT時(shí),鍵合線與硅芯片之間的接合點(diǎn)的總應(yīng)力εtot可描述為[14]。

εtot=L·(αAl-αSi)·ΔT

(1)

式中:αAl和αSi分別是鋁和硅的CTE,L是線接觸長度。

由式(1)可知,由于鋁鍵合線和硅芯片的CTE不同,當(dāng)功率循環(huán)過程中結(jié)溫變化量ΔT較大時(shí),接合處的總應(yīng)變εtot也會很大,在接合處產(chǎn)生塑性應(yīng)變。當(dāng)IGBT模塊承受持續(xù)的溫度波動沖擊后,導(dǎo)致塑性應(yīng)變積累,最終造成鍵合線的脫落或者根部斷裂。

為進(jìn)一步研究鍵合線老化對短路電流的影響,圖1給出了IGBT模塊的等效電路。其中:Vg為驅(qū)動電壓;Vge為IGBT芯片的柵極-發(fā)射極電壓;Ig為IGBT模塊的柵極電流;Isc為IGBT模塊的短路電流;Lg和Rg分別是柵極引線的寄生電感和電阻;Lw和Rpackage分別是鍵合線的并聯(lián)等效寄生電感和模塊的封裝電阻;Lae和Rae分別是輔助發(fā)射極引線的寄生電感和電阻;Le和Re分別是發(fā)射極引線的寄生電感和電阻。

圖1 模塊的等效電路

當(dāng)鍵合線發(fā)生脫落或者斷裂,都將引起封裝電阻Rpackage的增加。如圖1所示,在IGBT模塊發(fā)生硬開關(guān)短路時(shí),短路電流會因鍵合線老化程度加重引起的回路電阻增加而減小。因此,可以用短路電流來監(jiān)測鍵合線老化狀態(tài)。

1.2 鍵合線老化監(jiān)測機(jī)理

在實(shí)際工況下,利用Isc進(jìn)行鍵合線老化的監(jiān)測存在挑戰(zhàn)。圖2顯示了不同結(jié)溫條件下IGBT模塊的輸出特性曲線,其中標(biāo)記了交叉點(diǎn)Ic_int,并將其對應(yīng)的集電極-發(fā)射極電壓表示為Vce_int。為了便于研究結(jié)溫對短路電流的影響,可將集電極電流Ic(10～70 A)的變化分為正溫度系數(shù)(IcIc_int)三個(gè)區(qū)域。在區(qū)域2進(jìn)行IGBT模塊的鍵合線老化監(jiān)測時(shí),無須獲取結(jié)溫信息,溫度對Ic的影響可以忽略不計(jì)。文獻(xiàn)[13]就是利用了轉(zhuǎn)移特性曲線交叉點(diǎn)處短路電流不受溫度影響的特性實(shí)現(xiàn)了鍵合線老化的監(jiān)測。但通常情況下,IGBT模塊不會工作在此區(qū)域,且很難準(zhǔn)確地捕獲交叉點(diǎn),進(jìn)而使Ic_int難以應(yīng)用于實(shí)際工況的鍵合線老化監(jiān)測。要實(shí)現(xiàn)在交叉點(diǎn)以外對鍵合線老化的監(jiān)測同樣存在困難,圖3所示為脫落不同鍵合線根數(shù)下的IGBT模塊的輸出特性曲線,短路電流與在轉(zhuǎn)移特性曲線中的特性一致,交點(diǎn)處溫度對短路電流的影響可以忽略,但是當(dāng)短路電流值高于或低于交叉點(diǎn)電流時(shí),將同時(shí)受到鍵合線老化程度和溫度的耦合影響。因此依據(jù)文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行交叉點(diǎn)以外鍵合線老化狀態(tài)評估時(shí),其精度將會受到溫度變化的影響,因此只能實(shí)現(xiàn)在交叉點(diǎn)處對鍵合線老化的監(jiān)測。短路電流Isc作為短路時(shí)集電極的飽和電流,可以視為集電極電流來進(jìn)行分析。

圖2 不同結(jié)溫下IGBT模塊的輸出特性曲線

圖3 不同老化程度下IGBT模塊的輸出特性曲線

為實(shí)現(xiàn)在輸出特性曲線交叉點(diǎn)以外利用Isc對鍵合線老化進(jìn)行監(jiān)測,引入了與短路電流相關(guān)的通態(tài)電壓并對其進(jìn)行了分解,提取出了短路情況下能反映鍵合線狀態(tài)的分量Vpackage,解耦了在交叉點(diǎn)以外結(jié)溫對短路電流的影響。根據(jù)IGBT模塊的物理結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通機(jī)理,將通態(tài)電壓表示為:

Vce=Vce_th+Ic×Ron_chip+Ic×Rpackage

(2)

式中:Vce是通態(tài)電壓;Ic是集電極電流;Vce_th是集電極-發(fā)射極的閾值電壓;Ron_chip是芯片通態(tài)電阻。由于電導(dǎo)調(diào)制作用隨著的Ic增大而減小,Ron_chip與Ic的乘積是芯片通態(tài)壓降Von_chip。Rpackage是模塊的封裝電阻,與封裝結(jié)構(gòu)相關(guān),不受集電極電流的影響,Rpackage與Isc的乘積為模塊的封裝電壓Vpackage。

利用圖4所示的PCT-2半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)可以對Vce_th進(jìn)行提取,通過恒溫恒濕箱模擬實(shí)際工況,測量得到不同溫度下的輸出特性曲線見圖5(a),求得輸出特性曲線斜率最大點(diǎn)并利用線性外推法可以得到集電極-發(fā)射極閾值電壓如圖5(b)所示。將不同溫度下得到的Vce_th擬合后可以得到:

Vce_th(Tj)=-0.003 69×Tj+0.837 85

(3)

圖4 PCT-2半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)

根據(jù)式(3)可以看出隨著Ic的變化Vce_th保持恒定,其溫度系數(shù)為負(fù),Vce_th與Tj的擬合關(guān)系如圖5(c)所示。

(a) 不同Tj的輸出特性曲線(Ic范圍為0～10 A)

(b) Vce_th獲取方法

(c) Vce_th的函數(shù)擬合效果圖5 閾值集電極-發(fā)射極電壓的提取

當(dāng)集電極注入電流在較低范圍內(nèi)時(shí),IGBT模塊的PIN二極管占通態(tài)電壓的主要部分,MOSFET對通態(tài)電壓的影響可忽略不計(jì)。因此,當(dāng)IGBT模塊的集電極-發(fā)射極電壓接近閾值電壓Vce_th時(shí),在N+緩沖區(qū)、N-漂移區(qū)和芯片通道中產(chǎn)生的電壓降可近似為零,電壓降主要分布在閾值電壓和封裝電阻上。此時(shí)式(2)可以重寫為:

Vce=Vce_th+Ic×Rpackage

(4)

根據(jù)式(4),當(dāng)集電極-發(fā)射極兩端施加電壓接近Vce_th時(shí),此時(shí)IGBT模塊剛好導(dǎo)通,記錄此時(shí)通過Vce和Ic的值即可求得的封裝電阻Rpackage。在此利用圖6所示的通態(tài)電壓測試系統(tǒng)進(jìn)行封裝電阻提取。根據(jù)式(3)可以得到室溫下的Vce_th為0.745 6 V,當(dāng)大功率直流電源在集電極-發(fā)射極兩端施加電壓為0.82 V時(shí),測得Vce=0.747 1 V,Ic=1.46 A,根據(jù)式(4),可以求得室溫下Rpackage=1.028 2 mΩ。根據(jù)室溫下求得的封裝電阻,我們可以得到不同工況(Isc,Tj)條件下的封裝電壓Vpackage,可表示為:

(5)

式中:Rpackage,θ是室溫下的電阻;θ是室溫;T0取決于金屬材料,材料為鋁時(shí),取228 K。

圖6 通態(tài)電壓測試系統(tǒng)

利用圖6所示通態(tài)電壓測試系統(tǒng)并結(jié)合式(2)對芯片通態(tài)壓降Von_chip進(jìn)行提取,得到Von_chip與Ic和Tj的關(guān)系如圖7所示,可以看出Von_chip具有正的溫度系數(shù),其與Ic和Tj的關(guān)系如下:

(6)

式中:a00=-0.023 23,a10=0.006 936,a01=0.003 129,a20=-0.000 142 1,a11=-2.392×10-5,a30=1.091×106,a31=3.227×107。

圖7 不同結(jié)溫下的芯片通態(tài)電壓

結(jié)合以上分析,考慮到溫度的影響,式(2)可更新為:

Vce(Tj)=Vce_th(Tj)+Ic×Ron_chip(Tj)+

Ic×Rpackage(Tj)

(7)

當(dāng)IGBT模塊鍵合線發(fā)生老化時(shí),對Vce_th和Von_chip產(chǎn)生的影響較小,但會引起Vpackage增加,因此,工況下獲取短路電流Isc與結(jié)溫Tj的信息后得到Vpackage,就可以根據(jù)Vpackage的變化來監(jiān)測鍵合線老化。

2 鍵合線老化監(jiān)測

2.1 診斷標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)鍵合線發(fā)生老化時(shí),會引起IGBT模塊的封裝電阻Rpackage的增加,在進(jìn)行短路測量時(shí)依據(jù)短路電流Isc計(jì)算得到的封裝電壓Vpackage會大于健康模塊短路時(shí)測量得到的值,此時(shí)鍵合線老化的診斷標(biāo)準(zhǔn)可描述為式(8)。

Vpackage_mea-Vpackage_n>0

(8)

式中:Vpackage_mea為短路測量后計(jì)算得到的封裝電壓,Vpackage_n為健康模塊短路測量后計(jì)算得到的封裝電壓。在實(shí)際工況下,在獲取短路電流Isc與結(jié)溫Tj的信息后,可根據(jù)式(5)得到健康情況下的Vpackage_n,再結(jié)合式(3)、式(6)、式(7)得到短路測量后的Vpackage_mea,依據(jù)式(8)來判斷鍵合線是否發(fā)生了老化。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

當(dāng)IGBT模塊工作在輸出特性曲線交叉點(diǎn)以外時(shí),利用Isc進(jìn)行鍵合線老化監(jiān)測,會受到溫度與鍵合線老化程度的共同影響,也就是焊料層老化與鍵合線老化兩種失效情況將會耦合在一起。當(dāng)Isc0,而由鍵合線老化引起的短路電流變化ΔIsc2<0。因此,在這種工作情況下,由兩種老化因素引起的短路電流變化可能相互抵消,導(dǎo)致IGBT模塊老化的誤判。當(dāng)Isc>Ic_int時(shí),集電極電流的溫度系數(shù)為負(fù),此時(shí)有ΔIsc1<0,ΔIsc2<0,這種情況下不能判斷出因哪種因素導(dǎo)致了IGBT模塊老化。

根據(jù)文中提出的診斷策略,集電極-發(fā)射極閾值電壓具有負(fù)的溫度系數(shù),封裝電壓和芯片通態(tài)電壓具有正的溫度系數(shù)。當(dāng)IGBT模塊工作在IscIc_int情況時(shí),Vce的溫度系數(shù)為正,隨著集電極-發(fā)射極電壓的增加,Vpackage受到鍵合線老化的影響變大。因此,對于工作在輸出特性曲線交叉點(diǎn)以外的IGBT模塊,根據(jù)短路測量后得到的Isc計(jì)算出Vpackage,依據(jù)Vpackage_mea與Vpackage_n的差值可以判斷鍵合線是否發(fā)生老化。判斷出鍵合線發(fā)生老化的前提下,進(jìn)而利用短路電流受鍵合線老化影響的特性,依據(jù)測量得到的短路電流實(shí)現(xiàn)鍵合線老化程度的評估。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證文中提出的鍵合線老化監(jiān)測方法的正確性,文中以SKM75GB12T4 IGBT模塊為研究對象開展實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 短路電流和結(jié)溫獲取

在分析了文中提出的鍵合線老化的監(jiān)測方法后,要利用Vpackage解耦溫度對短路電流的影響,實(shí)現(xiàn)在輸出特性曲線交叉點(diǎn)以外對鍵合線老化監(jiān)測需要確定Isc與Tj的關(guān)系。IGBT模塊的短路電流是結(jié)溫的函數(shù),為了得到短路電流和結(jié)溫之間的關(guān)系,用IGBT模塊進(jìn)行硬開關(guān)短路實(shí)驗(yàn)來得到校準(zhǔn)關(guān)系。

選擇硬開關(guān)短路來進(jìn)行短路試驗(yàn)以消除柵極電壓的波動對短路電流的影響,硬開關(guān)短路實(shí)驗(yàn)原理如圖8(a)所示。實(shí)驗(yàn)平臺主要包括直流穩(wěn)壓電源、電阻箱、薄膜電容、門極驅(qū)動電路、加熱板和紅外測溫儀。薄膜電容器C由電源通過電阻R充電,L是電容器和IGBT模塊之間連接線的等效雜散電感。硬開關(guān)短路設(shè)備的開關(guān)順序如圖8(c)所示。在t1時(shí)刻,DUT兩端將施加直流總線電壓。然后,DUT在t2時(shí)刻由關(guān)斷狀態(tài)直接進(jìn)入短路,電流迅速上升并達(dá)到峰值。DUT的集電極-發(fā)射極之間的電壓Vce在由電路的電感性寄生元件引起的小波動之后仍保持在輸入電壓值。由于短路引起能量消耗,增加了器件溫度以及MOS溝道電阻,所以電流隨時(shí)間逐漸減小。記錄短路電流曲線并讀取短路電流值,t3時(shí)刻關(guān)閉了DUT。通常,短路時(shí)間應(yīng)小于10 μs,以防止器件因過熱而損壞,在此短路測試時(shí)間設(shè)置為4 μs,保證了電路的安全同時(shí)也能準(zhǔn)確測出短路電流值。IGBT模塊的結(jié)溫由加熱板控制。

(a) 短路測試原理圖

(b) 短路試驗(yàn)臺

(c) 短路電壓電流圖8 實(shí)驗(yàn)平臺

在Vge和Vce經(jīng)過開關(guān)導(dǎo)通過程并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,記錄短路電流值。在這種情況下,記錄發(fā)生短路后3 μs的短路電流值并用于校準(zhǔn)?？紤]到由于短路脈沖期間產(chǎn)生的功耗導(dǎo)致DUT自熱,在實(shí)際溫度測量中應(yīng)采用相同的保持時(shí)間(在這種情況下為3 μs),以補(bǔ)償自熱效應(yīng)。圖9顯示了柵極電壓Vg為13 V、集電極-發(fā)射極電壓Vce為40 V時(shí)IGBT在短路狀態(tài)下IGBT模塊的柵極電壓、集電極-發(fā)射極電壓和短路電流曲線。短路發(fā)生3 μs的電流值處于穩(wěn)定狀態(tài)(t1至t2間隔),可以對其進(jìn)行測量。

圖9 短路實(shí)驗(yàn)波形

圖9給出了健康IGBT模塊不同溫度下的短路電流值,短路電流具有0.17 A/℃的溫度靈敏度和線性度。值得注意的是,圖10中的溫度是發(fā)生短路之前的器件結(jié)溫,而不是記錄短路電流時(shí)的器件結(jié)溫。通過校準(zhǔn)曲線,可以從短路電流值中推算出功率變換器運(yùn)行時(shí)的IGBT模塊結(jié)溫,結(jié)合式(5)可以得到健康模塊的封裝電壓Vpackage_n。

圖10 健康IGBT模塊Isc-Tj關(guān)系

當(dāng)鍵合線發(fā)生老化后,IGBT模塊的結(jié)溫不能再依據(jù)健康情況下Isc-Tj關(guān)系來進(jìn)行提取,為消除IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)引起的誤差,需要對結(jié)溫進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償后真實(shí)結(jié)溫可描述為[15]:

(9)

式中:k為校正因子,其值為溫度變化量與通態(tài)電壓變化量的比值;α為平均電阻溫度系數(shù),考慮IGBT模塊內(nèi)部材料只要為銅和鋁,可取為0.004 1 ℃;V0為輸出特性曲線中特定電流對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓;T0是與基準(zhǔn)電壓相對應(yīng)的基準(zhǔn)溫度(室溫);Rpackage_0是溫度為T0時(shí)IGBT模塊對應(yīng)的封裝電阻。

3.2 基于短路電流的IGBT模塊鍵合線老化監(jiān)測

工況下測量得到IGBT模塊短路電流的信息后,就可以根據(jù)式(3)、式(6)、式(7)、式(9)計(jì)算出短路測量后的封裝電壓Vpackage_mea,根據(jù)封裝電路壓降差值Vpackage_mea-Vpackage_n可以辨識鍵合線的老化狀態(tài)。在鍵合線老化損傷的前提下,可以利用短路電流來進(jìn)一步判斷出鍵合線老化損傷程度。

圖11(a)所示為IGBT模塊鍵合線脫落0～6根情況下對應(yīng)的短路電流,可以看出,短路電流Isc隨著鍵合線脫落數(shù)的增加而減小,這反映了IGBT模塊在壽命周期內(nèi)的持續(xù)老化過程,可以看出短路電流受鍵合線老化的影響明顯,因此可以用來監(jiān)測鍵合線的老化狀態(tài)。為了進(jìn)一步診斷鍵合線失效根數(shù),式(10)定義了表征鍵合線老化程度的短路電流Isc的變化率,其中Isc_n和Isc_a分別是健康模塊和鍵合線老化模塊的短路電流。

(10)

(a) 短路電流與鍵合線老化程度的關(guān)系

(b) 短路電流變化率與鍵合線老化程度的關(guān)系圖11 鍵合線老化與短路電流的關(guān)系

由圖11(b)可以看出鍵合線脫落不同根數(shù)下,短路電流的變化率都有明顯的變化,因此我們可以根據(jù)短路電流的變化率來判斷出鍵合線脫落的根數(shù),由此可以判斷出該模塊的健康狀態(tài)。

為驗(yàn)證此方法能夠在輸出特性曲線交叉點(diǎn)以外對鍵合線老化狀態(tài)進(jìn)行精確監(jiān)測,分別對健康的IGBT模塊以及鍵合線老化后的IGBT模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。測得健康的IGBT模塊的短路電流為90A(Isc>Ic_int),結(jié)合式(5)以及Isc-Tj的關(guān)系,可以得出Tj=61.76 ℃,Vpackage=0.106 0 V。當(dāng)鍵合線發(fā)生老化后,測得此時(shí)Vce=1.280 8 V,Isc=87.119 A,Tj=59.86 ℃,可以求出Vpackage=0.230 8 V,即Vpackage_mea-Vpackage_n>0,判斷出鍵合線發(fā)生了老化,利用式(10),可得σ=4.43%,可判斷出鍵合線脫落根數(shù)為2,實(shí)現(xiàn)了在輸出特性曲線交叉點(diǎn)以外的鍵合線老化狀態(tài)監(jiān)測,完善了基于轉(zhuǎn)移特性曲線交叉點(diǎn)的IGBT模塊鍵合線老化監(jiān)測方法。

表1 IGBT模塊鍵合線老化監(jiān)測方法的比較

文獻(xiàn)[16]表明,當(dāng)脫落的鍵合線數(shù)大于初始鍵合線數(shù)的70%(該模塊失效時(shí)為>6根)時(shí),IGBT模塊的剩余壽命為總壽命的2.3%,該IGBT模塊不適合正常工作。根據(jù)本文提出的方法,我們可以實(shí)現(xiàn)IGBT模塊鍵合線的老化狀態(tài)監(jiān)測,提高了電力電子系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié) 語

本文以IGBT模塊短路電流作為溫度敏感電參數(shù),采用通態(tài)電壓分離方法去除結(jié)溫的耦合影響,實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊鍵合線的老化監(jiān)測。該方法將通態(tài)電壓分離為一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電壓Vce_th和兩個(gè)正溫度系數(shù)電壓Von_chip和Vpackage,利用Vpackage解耦了溫度對短路電流的影響,完善了基于輸出特性曲線交叉點(diǎn)的IGBT模塊鍵合線老化監(jiān)測方法,實(shí)現(xiàn)了不同短路電流在不同結(jié)溫條件下對IGBT模塊鍵合線老化的在線監(jiān)測。