基于特定集电极电流下饱和压降的IGBT模块老化失效状态监测方法

摘要

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、石河子大学机械电气工程学院的研究人员李亚萍、周雒维等，在2018年第14期《电工技术学报》上撰文，为提高功率变流器的可靠性，提出一种基于特定条件下集射极饱和压降VCE(on)的IGBT模块老化失效状态监测方法。

特定集电极电流条件指的是不同温度下的多条IC-VCE输出特性曲线的交点对应的集电极电流，监测对应的VCE(on)，根据VCE(on)的变化可以对IGBT模块的健康状态进行评估。该方法可以忽略芯片结温对评估结果的影响。首先根据IGBT模块饱和压降的等效模型，结合IGBT模块输出特性曲线的特点，分析得出曲线交点处对应的VCE(on)不受温度影响，然后阐明IGBT模块老化对VCE(on)的影响关系。最后分别采用对IGBT模块进行加速老化实验验证方法和人为逐根剪断键合线模拟老化情况的验证方法，对不同工况下IGBT模块的VCE(on)进行测量和分析。

实验结果表明，在特定条件下，IGBT模块的VCE(on)不受芯片结温的影响，只与模块老化程度有关，可作为IGBT模块老化状态监测的特征参数，实验结果与理论分析一致。

IGBT模块的失效是依赖于时间的随机过程，是内部疲劳损伤积累和外部运行环境共同作用的结果，尤其老化失效，存在一个发生、发展和完全失效的演化过程。研究表明，运行过程中功率器件的磨损主要是由于功率波动导致温度波动产生的热机械应力，导致器件及封装的机械形变和疲劳损伤累计，所以其寿命受到内部连接的热机械疲劳的限制。

铝键合引线脱落和焊料层疲劳老化是IGBT模块功率循环老化最常见的两种封装失效类型。其原因主要是模块内部多层材料的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）不同，模块内部温度波动引起粘结处剪切应力所致。在IGBT模块完全失效之前，还能继续工作一段时间，因此，如果能够在完全失效之前监测到这个潜在的变化，将可以避免灾难性故障的发生。

为了评估IGBT模块的老化失效状态，及时发现变流器中存在缺陷的IGBT模块，国内外学者对IGBT模块老化失效状态监测方法进行了广泛的研究，在故障特征参量的确定和提取上做了大量的研究工作，包括集射极饱和压降VCE(on)、栅射极电压VGE、栅射极阈值电压VGE(th)、关断时间toff、开通时间ton、结壳热阻Rth、结温Tj等。

对于暂态参量，由于暂态过程是ns级的，对测量电路要求非常高[8,9]，但不论是暂态参量还是稳态参量都不同程度受到结温的影响，而结温的直接或间接测量，特别是在线实时准确测量，缺乏有效实用的方法。

从已发表文献来看，研究最多的是以IGBT饱和导通压降的变化作为标识特征量，实现对IGBT的衰退性能检测。主要可分为两大方向：

（1）VCE(on)作为老化特征量与老化进程之间关系的研究[13-15]，IGBT模块在变流器实际运行过程中发生的老化封装失效，如键合线脱落、焊接点分离、芯片金属化退化等[7,16]，都可采用VCE(on)作为指标参数，用来确定功率模块的磨损程度。主要通过功率循环加速老化试验进行研究[17]，但由于加速老化试验时间周期较长，数据量小，老化失效机理复杂、相互影响等原因，也有通过直接逐根剪断模块内部键合线的方式模拟键合线脱落进行研究[18,19]。

（2）饱和压降准确测量方法和手段的研究。由于VCE(on)作为老化特征参数，既受IGBT模块健康状态，又受结温变化的影响，而随老化进程VCE(on)变化量很小，只有几个百分点的变化，毫伏级，需要很高的测量精度和分辨率。主要有离线测量和在线测量两种测量方式，在线测量又可分为准在线测量和实际在线测量。离线测量通常在加速老化试验平台上，需要在固定电流和温度等一致的测量条件下，测量IGBT模块不同老化阶段的饱和压降，用于分析模块的失效机理和研究失效模式与失效特征量的关系，但在实时在线监测中不适用。

准在线测量是在实际的开关状态下执行测量，通过控制器件的电流大小得到相同和重复的测量条件。由于直流母线电压很高，饱和压降的测量必须被隔离，还需要权衡测量电路的成本、带宽和准确性，为此提出了各种测量电路，文献[17,26]提出采用MOSFET组成的饱和压降测量电路，电路比较复杂，当MOSFET出现故障时容易导致变流器发生短路。

文献[27,28]分别采用继电器和齐纳二极管组成电路测量饱和压降，在变流器运行过程中实时测量速度不够快。文献[29]提出采用两个二极管组成电路，来源于典型的去饱和保护电路，可以在变流器运行过程中测量VCE(on)和VF，但由于两个二极管的特性的偏差导致测量结果存在误差。文献[30]也采用该电路测量分立的IGBT器件的集射极饱和压降，无法确保其准确性。所以这些测量在实际的功率变流器中执行还是存在很多问题。

实际在线测量是最难实现的，随着模块性能衰退引起的压降增加易受到信号噪声或开关过程的干扰，数据处理复杂[31,32]，还需要考虑实际应用中的工况不断变化等问题。

文献[33]针对一个IGBT三相逆变器的噪声和数据采集速度问题提出了一个完整的状态监测系统，可以在线测量集射极电压、集电极电流，控制栅射极电压、栅极电流以及环境和壳温，通过物理模型估计焊料和栅极氧化退化情况，但最主要的缺点是没有考虑结温，因为大部分估计参数都和温度相关。

所以，现有的大多数方法受实际应用的限制，仍然存在诸多问题，还没有成熟的方法或公认的成品被研制出来。为提高电力电子系统的可靠性，状态监测方法的研究仍然是热点。

综上分析，选用集射极饱和压降作为老化特征参数进行IGBT模块的状态监测存在两个问题：  ①测量过程中受到变流器运行结温变化的影响，需要同时考虑饱和压降和结温的测量，提高了成本和复杂性；②实际测量中如何保证集射极饱和压降测量的准确性。

本文在集射极饱和压降法研究IGBT器件的老化失效状态的基础上，结合IGBT模块的不同温度下多条IC-VCE输出特性曲线的交点处集电极电流，对应的饱和压降不受温度影响的特性，提出了一种基于特定条件下饱和压降的IGBT模块老化状态监测方法，无需考虑结温的测量，只需监测IGBT模块特定集电极电流情况下的饱和压降，就能准确地对IGBT模块健康状态进行评估。更适合用于变流器工作在输出功率、输出频率等运行条件变化，无法在固定结温下测量饱和压降的情况。

本文所提基于特定集电极电流条件下饱和压降的IGBT模块老化失效监测方法，可在变流器停机时（如风机切除风速时、电动汽车停车时等），给IGBT模块注入电流信号大小等于交点处集电极电流，并采集交点集电极电流对应的集射极饱和压降，实行准在线实时监测，不需移动功率模块，易于工程实现；或者在变流器正常工作时，采用测量精确测量电路和高速、高分辨率数据采集器获得交点处对应集电极电流信号和集射极电压信号。该方法对提高功率变流器的可靠性具有重要意义。

结论

本文通过分析IGBT模块老化过程对集射极饱和压降的影响，结合不同温度对应的多条输出特性曲线的特点，探究基于特定集电极电流条件下饱和压降的IGBT模块老化状态监测方法。提出在IGBT模块输出特性曲线交点附近集电极电流条件下，监测IGBT模块的饱和压降，根据模块的饱和压降可以对IGBT模块的健康状态进行评估。

该方法的优点是可以忽略芯片结温对评估结果的影响，分别采用两种实验方法进行相互验证，对人为逐根剪断模块键合线和加速老化的IGBT模块两种情况下，对不同工况下IGBT模块的饱和压降进行测量。得到的研究结果如下：

1）IGBT模块的失效时间很大程度上依赖不同的运行条件，在相同老化条件下，相同类型的IGBT模块的功率循环次数基本在一个量级上，证明加速老化实验具有很好的可重复性，足够用于更多器件的定量分析。

2）在固定温度下，IGBT模块的IC-VCE输出特性曲线随着键合线剪断根数增加或老化程度加剧而向右偏移。集电极电流越大，对应的饱和压降随老化程度增加百分数也越大，反之亦然。

3）在不同温度输出特性曲线的交点处，键合线老化对IGBT模块饱和压降的影响远大于温度的影响，所以在此特定条件下可以忽略温度的影响。加速老化实验和人为剪断键合线测量得到的结果基本一致。并证明了不用考虑温度对指标参数的影响，采用交点处集电极电流对应的VCE(on)的变化可以有效辨识键合线脱落程度，从而作为指标参数来检测IGBT模块内部键合线脱落的情况。

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