不同工作模式下的IGBT模块瞬态热特性退化分析
河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室的研究人员刘向向、李志刚、姚芳，在2019年《电工技术学报》增刊2上撰文，对于不同工作模式下的绝缘栅双极晶体管（IGBT）的热退化特性进行研究。研究结果表明，温度波动对于模块退化特性的影响要远高于温度和开关频率对模块造成的影响。较高的频率对于模块的影响主要在芯片内部，而温度波动对于模块的影响主要在包装级别。
绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）主要应用于逆变器、变频器、不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）、电源、风力发电设备等工业控制领域。近年来，随着高铁、电动汽车、风力发电机等电力设备的迅速发展，高功率密度及大量的电子集成技术对其可靠性都提出了更高的要求。
光伏发电是未来发展中最有潜力的可再生能源，而IGBT是光伏系统中主要的功率半导体器件，因此其可靠性对光伏系统有重要影响。IGBT模块的热特性是模块的重要特性之一，模块在退化过程中，热性能变化对于半导体模块的整体性能有着重要的影响。
河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室的研究人员，针对现阶段仍存在的问题，对于不同功率循环下的IGBT的热退化特性进行了研究。设计了动态实验，对不同的工作模式下IGBT模块的退化进行了研究，并得到了不同状态下模块的退化特性。
图1 IGBT的传热结构
图2 模块及老化设备
研究人员在不同工作条件下的IGBT模块进行老化实验时，在相同的老化时间下观察模块的热阻变化情况，通过对热网络模型和结构函数分析进行模块内部结构的缺陷辨识和失效机理分析，并利用仿真的方式对于不同边界条件的动态热传导过程进行有限元仿真，更直观地观察到模块的热传导的过程，同时验证了实验方法的准确性。
他们发现在温度波动较大的情况下，IGBT模块的致命损伤往往发生在各层连接处，由于各层材料的热膨胀系数的差别，使得焊料层分层严重，导致热阻增加，进一步引起热量的大量累积，键合引线的损伤严重。而开关频率增加以后，模块的热阻变化速度要远远低于温度循环，虽然模块的开关频率较温度循环增加了近百倍，但是模块的寿命并没有减少，说明开关频率对于IGBT模块芯片的冲击造成的影响要远远小于温度对于模块寿命的影响。
在后续的工作中，可以在实际工作过程中通过测量模块的壳温及功率，得到实时工作过程中的结温变化，并将键合引线的损伤作为总体损伤的一部分及时反馈到系统中，从而增加IGBT模块的寿命预测精度。