呂 高，趙巧娥，許亞惠

（1.山西大學(xué)，太原 030013；2.河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

功率循環(huán)下IGBT模塊電熱參數(shù)變化規(guī)律分析*

呂 高1，趙巧娥1，許亞惠2

（1.山西大學(xué)，太原 030013；2.河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

為了分析IGBT模塊老化過程中電熱參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)IGBT模塊進(jìn)行了功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)，并基于單脈沖測(cè)試方法在加速老化試驗(yàn)進(jìn)程中每間隔1 000次功率循環(huán)，測(cè)取一次IGBT的結(jié)溫、集電極電流與飽和壓降三維關(guān)系曲面、開關(guān)能耗、熱阻抗以及瞬態(tài)熱阻抗曲線。IGBT模塊老化失效時(shí)，其飽和壓降、開通能耗、關(guān)斷能耗以及熱阻較其初始值分別增大了3.92%、12.05%、18.87%和22.65%，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著IGBT模塊功率循環(huán)次數(shù)的增多，相同工作條件下IGBT飽和壓降的增幅逐漸加大，而飽和壓降、結(jié)溫和集電極電流三者間的內(nèi)在關(guān)系沒有明顯變化；IGBT瞬態(tài)熱阻抗曲線暫態(tài)部分幾乎不變，穩(wěn)態(tài)部分向上移動(dòng)的幅度逐漸加大；測(cè)取的IGBT模塊電熱參數(shù)中飽和壓降增幅最小，開關(guān)能耗增幅較大，模塊熱阻的增幅最為明顯。

IGBT模塊，功率循環(huán)，老化試驗(yàn)，電熱參數(shù)

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是一種復(fù)合全控型功率半導(dǎo)體器件，由雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成，不僅具有場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)速度快、輸入阻抗高和驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)，而且具有三極管導(dǎo)通壓降低和載流密度大的優(yōu)點(diǎn)，已成為電力電子領(lǐng)域理想的開關(guān)器件，并廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)、開關(guān)電源、牽引傳動(dòng)及變頻器等關(guān)鍵領(lǐng)域［1］。

隨著功率制造工藝的發(fā)展，IGBT模塊體積越來(lái)越小，而要求的耐壓等級(jí)和電流密度卻不斷增大。普通塑封裝IGBT模塊為由引線、芯片、焊料層、DCB陶瓷層和基板等構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu)，各層材料的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率、厚度、熱阻和熱容均不相同［2］。IGBT在高頻大功率的應(yīng)用場(chǎng)合往往會(huì)產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，使得IGBT的結(jié)溫波動(dòng)幅度較大，IGBT各層材料的熱膨脹系數(shù)也不同，內(nèi)部連接處受到不同的熱機(jī)械應(yīng)力，長(zhǎng)期承受溫度功率循環(huán)將導(dǎo)致器件疲勞老化失效［3］。最常見的與封裝相關(guān)的失效類型主要有兩種：引線失效和焊料層失效［4］，這兩種失效均會(huì)使得IGBT的諸多物理常數(shù)和器件內(nèi)部參數(shù)發(fā)生改變［5］，其工作特性也將隨溫度的不同發(fā)生較大的變化，故研究IGBT模塊電熱參數(shù)在功率循環(huán)條件下的變化情況對(duì)評(píng)估IGBT模塊工作狀態(tài)，預(yù)測(cè)其疲勞壽命，提高其可靠性具有重要意義。

1 功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)原理及方法

1.1 試驗(yàn)原理

功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)是在一定頻率下對(duì)IGBT進(jìn)行重復(fù)導(dǎo)通與關(guān)斷，導(dǎo)通狀態(tài)產(chǎn)生功率損耗使得模塊溫度上升；關(guān)斷狀態(tài)模塊通過散熱器散熱，溫度下降。該方法利用IGBT模塊自身功率損耗產(chǎn)生熱量，能夠有效模擬IGBT模塊的實(shí)際運(yùn)行情況。

功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)［6-7］主要分為兩類：△Tj功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)和△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)，△Tj、△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)原理示意圖如圖1所示。

圖1 功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)原理示意圖

圖1中下標(biāo)2代表△Tc功率循環(huán)，下標(biāo)1代表△Tj功率循環(huán)；實(shí)線、點(diǎn)劃線分別為IGBT結(jié)溫、殼溫變化曲線；△Tjw1（△Tjw2）為結(jié)溫波動(dòng)幅度，△Tcw1（△Tcw2）為殼溫波動(dòng)幅度，T0為 IGBT模塊初始溫度；ton1（ton2）、toff1（toff2）分別表示IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間。

△Tj功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)中IGBT導(dǎo)通時(shí)間一般為幾秒，關(guān)斷時(shí)間一般為幾十秒，所以在較短的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)IGBT功率損耗僅能引起其結(jié)溫Tj的大幅上升，殼溫Tc增幅不大，該方法只能引起較大的結(jié)溫波動(dòng)，主要模擬IGBT模塊的引線失效；△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)中IGBT導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都較長(zhǎng)，一般導(dǎo)通時(shí)間為幾分鐘，關(guān)斷時(shí)間為十幾分鐘甚至幾十分鐘，這樣使得IGBT模塊結(jié)溫和殼溫均有較大的波動(dòng)量，所以該方法能夠同時(shí)模擬引線失效和焊料層疲勞老化失效。因此，為了能夠同時(shí)模擬引線失效和焊料層疲勞老化失效，采用△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)方法對(duì)IGBT模塊進(jìn)行研究。

1.2 試驗(yàn)方法

為防止試驗(yàn)過程中IGBT模塊的偶然失效，保證試驗(yàn)結(jié)果的普遍性和可信性，選用3個(gè)型號(hào)為MMG75S120B的雙管半橋型IGBT模塊作為研究對(duì)象，并對(duì)其實(shí)施加速老化試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，4個(gè)IGBT模塊上管的柵極接反向電壓保持關(guān)斷狀態(tài)。同時(shí)，為了確保IGBT模塊在相同的老化試驗(yàn)條件下，將3個(gè)被測(cè)IGBT模塊串聯(lián)，△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)電路圖如圖2所示。

圖2 功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)電路圖

如圖2所示，△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)電路包括被測(cè)IGBT模塊、控制開關(guān)、電感、二極管、可程控電源和恒流電源等。被測(cè)IGBT模塊固定安裝在風(fēng)冷散熱器上，并在IGBT芯片正下方的散熱器上挖溝槽安裝K型熱電偶；控制開關(guān)S1由Labview軟件控制，用于實(shí)現(xiàn)主電路的導(dǎo)通和關(guān)斷；電感L主要用于防止主電路電流發(fā)生突變，保護(hù)IGBT模塊；二極管D1用于在主電路關(guān)斷時(shí)電感放電；考慮到IGBT模塊的型號(hào)及實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將電源VG設(shè)置為15 V。

參照國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的IEC60747-9：2007標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件與△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)步驟如下：①閉合控制開關(guān)S1；此時(shí)，程控直流電源輸出50 A電流，柵極電壓VG驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通。此過程中，IGBT模塊會(huì)產(chǎn)生功率損耗并引起結(jié)溫和殼溫的上升，此過程風(fēng)冷散熱器不工作。②當(dāng)K型熱電偶檢測(cè)到IGBT模塊的殼溫達(dá)到125°C時(shí)斷開控制開關(guān)S1，并立即閉合開關(guān)S2；在主電路關(guān)斷期間風(fēng)冷散熱器工作，加之IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，幾乎不產(chǎn)生功率損耗，模塊結(jié)溫和殼溫將會(huì)迅速下降，直到殼溫下降至環(huán)境溫度25°C時(shí)完成一個(gè)功率循環(huán)。③重復(fù)步驟①、②對(duì)IGBT模塊進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)直至IGBT模塊失效（失效標(biāo)準(zhǔn)為IGBT模塊結(jié)殼熱阻Rth，jc相對(duì)于初始值增大20%）。

在△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)進(jìn)程中，每循環(huán)1 000次進(jìn)行一次老化試驗(yàn)（包括初始新模塊），并測(cè)取一次IGBT結(jié)溫、集電極電流與飽和壓降三維關(guān)系曲面、電熱參數(shù)、瞬態(tài)熱阻抗，其中通過單脈沖測(cè)試獲?。婚_關(guān)損耗采用北京勵(lì)芯泰思特測(cè)試技術(shù)有限公司的LX9600分立器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)取，測(cè)試條件為Udc=600 V，Ic=75 A，Rg=10 Ω，VGE=±15 V，Tj=125°C；熱阻和瞬態(tài)熱阻抗采用西安誼邦電子科技有限公司的YB-6911熱阻測(cè)試系統(tǒng)測(cè)取，測(cè)試加熱電流為20 A，精度為±10 mA。

單脈沖測(cè)試電路如圖3所示，圖中RL為功率電阻，Vc為程控電源。

圖3 單脈沖測(cè)試電路示意圖

IGBT模塊飽和壓降的測(cè)取受結(jié)溫和集電極電流兩者影響，故試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)需同時(shí)考慮結(jié)溫和集電極電流對(duì)飽和壓降的影響，測(cè)試點(diǎn)選取如下：

溫度：間隔為10°C，溫度范圍為25°C～125°C。

電流：間隔為5 A，電流范圍為5 A～150 A。

集電極電流較大時(shí)，IGBT模塊會(huì)產(chǎn)生自熱效應(yīng)，造成結(jié)溫升高，因此，獲取大電流下IGBT模塊飽和壓降和結(jié)溫的關(guān)系時(shí)，需設(shè)定脈沖的寬度足夠?。?.001 s），以保證大電流引起的結(jié)溫升高可以忽略。單脈沖測(cè)試試驗(yàn)步驟如下：①依據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置恒溫箱溫度，并將IGBT模塊放入恒溫箱。②IGBT模塊達(dá)到熱平衡后，即IGBT模塊結(jié)溫和殼溫均為恒溫箱設(shè)置溫度，依據(jù)試驗(yàn)要求依此設(shè)定可控直流電源控制集電極電流，并給IGBT通以單脈沖觸發(fā)電流，然后測(cè)取飽和壓降。③基于MATLAB處理測(cè)取數(shù)據(jù)，畫出Vce=f（Tj，Ic）三維曲面。

2 老化對(duì)IGBT模塊電熱參數(shù)的影響

△Tc功率循環(huán)6 000次后3個(gè)IGBT模塊熱阻增量均大于20%，模塊均失效。不同功率循環(huán)次數(shù)下各IGBT模塊熱阻增量百分比如表1所示。

表1 不同功率循環(huán)次數(shù)時(shí)各IGBT模塊熱阻增量百分比

表1說明IGBT模塊在功率循環(huán)2 000次后其熱阻大約增大3%，模塊開始進(jìn)入疲勞階段［8］；在功率循環(huán)5 000次后其熱阻大約增大15.60%，模塊已經(jīng)嚴(yán)重老化；在功率循環(huán)6 000次后其熱阻大約增大22.39%，認(rèn)為模塊失效。下面以IGBT32為例說明IGBT模塊老化過程中各電熱參數(shù)的變化情況。

△Tc功率循環(huán)加速老化實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中測(cè)得的不同功率循環(huán)次數(shù)下IGBT結(jié)溫、集電極電流與飽和壓降三維關(guān)系曲面Vce=f（Tj，Ic），如下頁(yè)圖4所示。

根據(jù)圖4對(duì)比老化前后IGBT的飽和壓降可知，隨著功率循環(huán)次數(shù)的增多，相同工作點(diǎn)時(shí)IG BT飽和壓降呈增大趨勢(shì)，且遞增增幅逐漸加大，而飽和壓降、結(jié)溫和集電極電流三者間的內(nèi)在關(guān)系沒有明顯變化，即隨著IGBT模塊的老化，其飽和壓降、結(jié)溫和集電極電流三維曲面整體上移。這主要是由于IGBT模塊隨功率循環(huán)次數(shù)的增多其老化進(jìn)程逐漸加快，加之IGBT模塊的電、熱特性相互耦合，模塊老化會(huì)同時(shí)影響引起電熱參數(shù)的改變。不同功率循環(huán)次數(shù)下IGBT模塊的瞬態(tài)熱阻抗曲線如圖5所示。

圖4 不同功率循環(huán)次數(shù)下IGBT的飽和壓降

圖5 不同功率循環(huán)次數(shù)下IGBT的瞬態(tài)熱阻抗

從圖5可以看出隨著IGBT模塊功率循環(huán)次數(shù)的增多其瞬態(tài)熱阻抗曲線穩(wěn)態(tài)部分向上移動(dòng)，且上移幅度逐漸加大，瞬態(tài)部分幾乎重合，這是因?yàn)镮GBT模塊老化主要造成其熱阻的增大，對(duì)熱容的影響程度很小。不同功率循環(huán)次數(shù)下IGBT模塊的電熱參數(shù)（Vce，Eon，Eoff，Rth，jc）及其相對(duì)初始值的增量百分比如表2所示，其中不同功率循環(huán)次數(shù)下的Vce均在結(jié)溫Tj=85°C，Ic=60 A時(shí)測(cè)取。

表2 不同功率循環(huán)次數(shù)下IGBT模塊的電熱參數(shù)及其相對(duì)增量百分比

由表2可知，隨著IGBT模塊功率循環(huán)次數(shù)的增加IGBT飽和壓降、開關(guān)能耗與熱阻均增大，且增長(zhǎng)速度逐漸加大。功率循環(huán)6 000次后，Vce、Eon、Eoff與Rth，jc分別較其初始值增大3.92%、12.05%、18.87%和22.65%。由此說明，隨著模塊的不斷老化，IGBT飽和壓降的增幅最小，開關(guān)能耗的增幅較大，模塊熱阻的增幅最為明顯。

3 結(jié)論

本文在介紹IGBT模塊功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)和單脈沖測(cè)試方法原理的基礎(chǔ)上，對(duì)IGBT模塊進(jìn)行了△Tc功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)，并間隔1 000次功率循環(huán)測(cè)取一次IGBT結(jié)溫、集電極電流與飽和壓降三維關(guān)系曲面（Vce=f（Tj，Ic））、電熱參數(shù)（Eon，Eoff，Rth，jc）、瞬態(tài)熱阻抗（Zth，jc），通過對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)論為：①隨著IGBT模塊功率循環(huán)次數(shù)的增多，相同工作條件下IGBT飽和壓降呈增大趨勢(shì)，且遞增增幅逐漸加大；②IGBT模塊在不同功率循環(huán)次數(shù)時(shí)，飽和壓降、結(jié)溫和集電極電流三者間的內(nèi)在關(guān)系沒有明顯變化；③IGBT模塊老化主要造成其熱阻的增大，對(duì)熱容的影響程度很小。因此，隨著IGBT模塊老化程度的加深，IGBT瞬態(tài)熱阻抗曲線暫態(tài)部分幾乎不變，穩(wěn)態(tài)部分向上移動(dòng)的幅度逐漸加大；④隨著模塊的不斷老化，IGBT模塊各電熱參數(shù)的增長(zhǎng)幅度均越來(lái)越大，其中飽和壓降的增幅最小，開關(guān)能耗的增幅較大，模塊熱阻的增幅最為明顯。

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Analysis of the Electro-thermal Parameters Variation of the IGBT Module in the Power Cycle

LYU Gao1，ZHAO Qiao-e1，XU Ya-hui2
（1.Shanxi University，Taiyuan 030013，China；2.Province-ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

The power cycle accelerated aging test is carried on the IGBT module to analyze the variation law of the electro-thermal parameters during the aging process of the IGBT module,and the three dimensional relation surface of IGBT saturation voltage-junction temperature-collector current, switching loss,thermal impedance and transient thermal impedance curve are measured every 1000 power cycles based on the single pulse test method.After IGBT module aging failure,the IGBT saturation voltage,turn-on loss,turn-off loss and thermal resistance are increased by 3.92%，12.05%，18.87%and 22.65%respectively.The experimental results show that the increase of IGBT saturation voltage increases in the same operating conditions with the increase of the power cycle of the IGBT module,and the three dimensional relation surface of saturation voltage-junction temperature-collector current do not change significantly;The transient state of the transient thermal impedance curve of IGBT is almost unchanged,and the amplitude of the steady state is gradually increased;The increase of the saturation voltage of the IGBT module is the smallest,and the increase of the switching loss and thermal impedance is the largest.

IGBT module，power cycle，aging test，electro-thermal parameters

TM343

A

1002-0640（2017）05-0160-04

2016-02-01

2016-05-17

山西省教育廳“面向工程、探索創(chuàng)新”電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)建設(shè)基金資助項(xiàng)目

呂 高（1975- ），男，山西大同人，碩士，講師。研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)。