曾定軍 崔乃東 劉 威 鄧 歡

（中國船舶重工集團(tuán)公司第709研究所 武漢 430205）

1 引言

電力電子技術(shù)在新能源汽車、新能源發(fā)電、電能傳輸?shù)阮I(lǐng)域中已逐漸占據(jù)重要地位。隨著電力電子裝置的廣泛使用時，其可靠性問題得到了國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。大量的研究學(xué)者致力于提高電力電子系統(tǒng)的可靠性和評估電力電子系統(tǒng)的可靠性［1］。

通過國外的工業(yè)調(diào)研的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在電力電子裝置中不同元器件的故障率不同，具體數(shù)據(jù)呈現(xiàn)如圖1所示［1］。其中，電力電子裝置中表現(xiàn)出故障率最高的是功率半導(dǎo)體器件，故障率占有比例大于30%；對于電容而言，故障率為20%；其他元器件的失效率排序依次是：驅(qū)動器、連接器、電感、電阻、其他元器件。通過圖1可以得出，功率半導(dǎo)體器件是整個電力電子裝置中的最薄弱環(huán)節(jié)，其使用壽命極大地制約了整個裝置的使用壽命。

圖1 電力電子系統(tǒng)中各元件的失效率

在電力電子裝置中，外部的機(jī)械振動、裝置內(nèi)部的高溫環(huán)境、各個元器件與印制板的寄生參數(shù)引起的EMI等問題，使功率半導(dǎo)體器件的工作在一個電、熱、磁的多物理場環(huán)境中。通過各研究學(xué)者對功率半導(dǎo)體器件的主要失效機(jī)理分析得出，引起功率半導(dǎo)體失效的主要因素為熱應(yīng)力［2～9］。常用于中、大功率的半導(dǎo)體器件為MOSFET和IGBT，而IGBT是一種集雙極結(jié)型晶體管（BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）優(yōu)點(diǎn)于一體的功率開關(guān)器件。BJT具有優(yōu)越的電流密度，而MOSFET可以通過電壓控制，IGBT是國際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品［10］，因此本文將重點(diǎn)分析IGBT的物理失效機(jī)理和可靠性分析流程。IGBT模塊的截面圖如圖2所示，IGBT模塊內(nèi)部的熱量通過多層結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到散熱片中，然后通過散熱片以對流的方式傳遞到環(huán)境中。

圖2 IGBT模塊的截面圖

已有大量的研究表明，熱應(yīng)力引起的IGBT的物理失效機(jī)理有兩種［11～12］：第一種由于流過IGBT內(nèi)部PN結(jié)周期性的電流變化，會產(chǎn)生功率循環(huán)，進(jìn)而引起循環(huán)熱應(yīng)力，這種循環(huán)熱應(yīng)力會引起鋁連接線的微運(yùn)動，進(jìn)而使鋁連接線從芯片的金屬覆層上脫落或發(fā)生斷裂；第二種是在組成IGBT的疊層結(jié)構(gòu)中，芯片與基板之間的連接材料與芯片和基板的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同，當(dāng)IGBT的使用環(huán)境溫度變化時，每一種材料由于受熱和冷卻時的膨脹程度不同，相連接的兩種材料的熱膨脹系數(shù)相差越大，連接點(diǎn)在外部溫度變化時承受的壓力越大，最終使連接點(diǎn)的老化變形。雖然對于研究IGBT的失效機(jī)理進(jìn)行了廣泛的理論研究，但是少有文章對IGBT在實(shí)際電路中的壽命和可靠性進(jìn)行量化，因此不利于分析IGBT在實(shí)際電路中的可靠性評估。因此本文基于功率循環(huán)引起的失效模式，來量化分析IGBT的可靠性。

2 IGBT可靠性評估流程

根據(jù)功率循環(huán)引起IGBT的失效模式可知［11］，IGBT的失效原因是內(nèi)部鋁連接線跟隨負(fù)載功率波動引起的老化斷裂導(dǎo)致的。因此本文根據(jù)該失效模式得出圖3所示的IGBT的可靠性評估流程。具體流程如下。

圖3 IGBT的可靠性評估流程

1）確定IGBT的功率損耗

根據(jù)IGBT的開關(guān)特性可知，IGBT在導(dǎo)通時，集電極電流通過IGBT的而產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，IGBT在開通和關(guān)斷過程中會產(chǎn)生開關(guān)損耗，IGBT的功率損耗計(jì)算可以通過式（1）、（2）和（3）來得到。其中，在正常工作情況下ic為IGBT集電極電流，vce為集電極電流流過IGBT的導(dǎo)通電阻時的集電極-發(fā)射極電壓，D為IGBT在導(dǎo)通占空比，Pcon為IGBT導(dǎo)通損耗，Psw為IGBT開關(guān)損耗，Eon為IGBT每一次開通時的損耗能量，Eoff為IGBT每一次關(guān)斷時的損耗能量。

2）確定IGBT的結(jié)溫

IGBT在工作過程中產(chǎn)生功率損耗，會以熱量的形式傳導(dǎo)出來，根據(jù)熱力學(xué)的知識可知，IGBT的功率損耗與IGBT內(nèi)部PN結(jié)與外部環(huán)境傳導(dǎo)通路上熱阻的乘積為IGBT內(nèi)部PN結(jié)與外部環(huán)境之間的溫度差，因此IGBT的內(nèi)部結(jié)溫可以通過式（4）計(jì)算得出，其中，Tj為IGBT內(nèi)部PN結(jié)的溫度，Tc為IGBT外部環(huán)境的溫度，Zth(j-c)為IGBT內(nèi)部PN結(jié)與外部環(huán)境之間傳導(dǎo)通路上的熱阻抗。

3）計(jì)算IGBT的B10壽命

根據(jù)文獻(xiàn)［4］中所提出的IGBT壽命模型-Bayerers模型可知，影響IGBT壽命的直接原因?yàn)镮GBT內(nèi)部PN結(jié)的溫度周期性變化。Bayerers壽命模型如式（5）所示，其中ΔTj為IGBT內(nèi)部PN結(jié)溫曲線在一個周期內(nèi)的峰峰值，Tjm為IGBT內(nèi)部PN結(jié)溫曲線在一個周期內(nèi)的平均值，ton為IGBT在正常工作環(huán)境中的導(dǎo)通時間。通過Bayerers壽命模型可以計(jì)算出IGBT在實(shí)際工況下的最大循環(huán)周期數(shù)［11］。Bayerers壽命模型中的參數(shù)A、β1、β2和β3與IGBT的制造工藝有關(guān)［5］，各參數(shù)值如表1所示。通過，最后通過Bayerers壽命模型得出的最大循環(huán)周期數(shù)與IGBT工作時的系統(tǒng)周期可以得出IGBT的使用壽命，通常認(rèn)為以這種方式求出來的IGBT的壽命有90%的置信區(qū)間。即IGBT在此工況下使用時，有90%的概率為該壽命，該壽命值為B10壽命［12～14］。

表1 Bayerers模型參數(shù)值

4）計(jì)算IGBT的可靠性

常用于評估元器件的可靠性的可靠性模型有指數(shù)分布、正態(tài)分布和Weibull分布，由于指數(shù)分布和正態(tài)分布為威布爾分布的特殊形式，因此現(xiàn)在常用威布爾分布函數(shù)作為電子元器件和電子電路的可靠性模型。IGBT的可靠性模型可以用二參數(shù)的Weibull分布函數(shù)表示［13］，如式（6）所示，其中η為器件的特征壽命，β為Weibull函數(shù)的形狀因子。IGBT的Weibull分布的形狀因子β選取2.5。

根據(jù)第三步中求得的B10壽命和可靠性的定義可知，B10壽命為Weibull分布函數(shù)曲線上的一個特殊點(diǎn)，即R(B10)=0.9。因此，可以確定Weibull分布中的特征壽命η，進(jìn)而計(jì)算出IGBT在該工作環(huán)境中的可靠性模型。

3 IGBT的熱仿真

通過前面一節(jié)中IGBT的可靠性評估流程可知，如何得出IGBT在額定工作環(huán)境工作時的結(jié)溫曲線是IGBT的可靠性評估的核心部分。因此本文通過建立IGBT在實(shí)際工作環(huán)境中的熱仿真模型，用來仿真IGBT在額定工況下的結(jié)溫曲線。IGBT的熱仿真過程如下：第一步根據(jù)IGBT的器件手冊，在PLECS中建立IGBT的熱描述文件，熱描述文件中包含IGBT在不同溫度、不同電壓、不同工作電流下的損耗曲線；第二步是在PLECS軟件中建立IGBT在額定工況下的仿真模型，該模型是一個包含電-熱耦合的仿真，通過電場和溫度場的耦合，可以仿真出IGBT在額定工況下的結(jié)溫曲線。

圖4 英飛凌IGW20N60H3的熱描述文件

4 仿真驗(yàn)證

本文在PLECS中搭建單相逆變器的熱仿真模型，如圖5所示。其中IGBT熱仿真模型采用第三節(jié)中已建立的英飛凌IGW20N60H3的熱描述文件，散熱器采用二階RC熱阻抗模型等效，如圖6所示，其中熱阻RT1、RT2為散熱器的穩(wěn)態(tài)熱阻，決定了散熱器的散熱性能；熱容CT1、CT2為決定了溫度變化的瞬態(tài)過程，即溫度變化的快慢。本文中選取散熱器的參數(shù)如表2所示，環(huán)境溫度為25℃。單相逆變器的其他元器件參數(shù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)［15］，得系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表2 散熱器的熱阻抗參數(shù)

表3 系統(tǒng)參數(shù)

圖5 單相逆變器的熱仿真模型

圖6 二階RC熱阻抗模型

仿真結(jié)果如圖所示，其中圖7中從上而下依次為逆變器的輸出電壓、電流波形；圖8為IGBT內(nèi)部的PN結(jié)的溫度波形；圖9為IGBT在一個周期內(nèi)的損耗波形；根據(jù)仿真結(jié)果可知，IGBT內(nèi)部的PN結(jié)溫度平均值為70℃，峰值為30℃，將IGBT內(nèi)部的PN結(jié)溫度的平均值和峰值帶入IGBT的壽命公式可得，IGBT的B10壽命為66.5年，進(jìn)而根據(jù)可靠性模型可以得出圖10所示的IGBT可靠性曲線；從IGBT的損耗曲線可知，IGBT的損耗隨輸出功率的變化而變化，且最終影響了IGBT結(jié)溫的周期性變化。

圖7 輸出電壓電流波形

圖8 IGBT的結(jié)溫波形

圖9 IGBT損耗曲線

圖10 IGBT的可靠性曲線

5 結(jié)語

本文根據(jù)IGBT的物理失效模型，提出了考慮功率循環(huán)的IGBT可靠性分析流程，并對每一個過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。然后通過在PLECS仿真軟件中建立熱仿真模型，并通過器件手冊建立了英飛凌IGW20N60H3的熱描述文件，進(jìn)而得出在1kW單相逆變器中IGBT器件的熱應(yīng)力曲線，最后根據(jù)Bayerer模型和Weibull分布得出IGBT的B10壽命和可靠性，實(shí)現(xiàn)了IGBT可靠性的量化過程。