面向电驱动的IGBT模块可靠性研究

影响电力电子装置或系统可靠性的主要原因是器件失效,随着电力电子装置在生产和生活中的大范围应用,IGBT模块可靠性研究也应当有所更新,从原有的研发阶段延伸到运行时的在线状态监测、诊断与预测领域。本文以电驱动应用背景下的IGBT功率模块可靠性方案为研究对象,对模块失效机理及引发老化失效的主要原因进行讨论,按照时间尺度将失效机理划分为与芯片相关的瞬态失效以及与封装相关的老化失效。合理的功率模块可靠性方案需要能够同时应对瞬态与老化失效。相较瞬态失效的偶然性,老化失效存在于模块全生命周期中,是影响模块甚至变换器系统可靠性的关键因素。老化失效的发生是由于模块热管理失衡。本文将模块内部成分按照热源与散热路径划分,探讨引发热源产热改变和散热性能退化的原因。键合线老化失效是导致模块损耗功率增加、产热增多的主要原因。通过IGBT等效电路分析其导通特性,揭示键合线老化后断裂、脱落对导通饱和压降的影响。但键合线状态并不是唯一影响导通饱和压降的原因,故提出基于瞬时通态电阻的IGBT正向特性建模方法,给出综合考虑集电极电流、结温影响的导通饱和压降完整数学模型;该模型可用于判断运行时导通饱和压降是否偏移其对应工况下的理论值,从而获知是否发生键合线老化脱落的情况。模块焊料层老化疲劳导致热阻增大,会使模块内部散热性能退化;而导热硅脂老化引发的热阻增大,会使模块外部散热性能退化。热阻是反映模块散热性能的关键参数,由于结温在结-壳热阻计算过程中必不可少,同时结温也是模块内关键温度信息,故从两种结温提取方法的角度出发进行研究讨论:对基于热网络的结温估测方法进行分析和验证,采用粒子群算法对数据手册中模块瞬态热阻抗曲线进行拟合,提取Foster型热网络RC参数,搭建基于PSIM的功率模块热-电联合仿真平台,仿真结果与生产厂商提供的在线仿真数据基本吻合,且仿真表明模块外部散热路径上热阻的变化会显著体现在模块壳温曲线上,并在基于SKM75GB123D的单相LCL逆变器平台上验证导热硅脂老化对壳温曲线的影响;分析IGBT栅极开通波形中密勒平台出现原因,从理论上验证该参数的温敏特征并介绍用于捕捉IGBT开关波形的双脉冲测试电路,并通过实验验证FF600R12ME4C_B11模块栅极开通波形中密勒平台幅值与结温的线性关系。