摘 要：該文提出一種基于電磁輻射干擾（EMR）與VeE_peak組合電參數(shù)監(jiān)測(cè)IGBT模塊封裝老化的方法，旨在監(jiān)測(cè)多種老化同時(shí)發(fā)生時(shí)IGBT模塊的健康狀態(tài)。首先，分析VeE_peak和EMR的產(chǎn)生機(jī)理以及模塊內(nèi)部寄生參數(shù)對(duì)VeE和EMR的影響；其次，分析不同老化對(duì)IGBT模塊內(nèi)部寄生參數(shù)的影響；最后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提方法的正確性。這是一種不需要復(fù)雜監(jiān)測(cè)電路的非侵入式監(jiān)測(cè)方法，可有效降低多種老化耦合對(duì)IGBT模塊健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的誤差。

關(guān)鍵詞：焊料層空洞；IGBT模塊；鍵合線老化；電磁輻射干擾；VeE_peak

中圖分類號(hào)：TN322.8；TN386" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）模塊具有導(dǎo)通電壓小、導(dǎo)通電流大、功耗低、開關(guān)頻率快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源利用領(lǐng)域［1-3］。鍵合線老化是IGBT模塊在功率循環(huán)損傷積累作用下常見(jiàn)的老化失效表現(xiàn)，其失效形式包括鍵合線脫落和鍵合線根部裂紋［4］。利用老化特征參數(shù)監(jiān)測(cè)IGBT模塊鍵合線老化是一種提高電力設(shè)備可靠性的經(jīng)濟(jì)有效的方法。關(guān)于鍵合線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究已發(fā)表很多。將導(dǎo)通集射飽和電壓[VCE（sat）]作為最具代表性的失效參數(shù)［5-7］。文獻(xiàn)［7-8］提出，使用兩個(gè)具有相同特性的二極管或由典型去飽和保護(hù)電路衍生的MOSFET的[VCE]在線測(cè)量電路，可測(cè)量變換器工作下的[VCE（sat）]和[VF]（續(xù)流二極管電壓）。但在變換器運(yùn)行過(guò)程中必須保證測(cè)量電流恒定，測(cè)量電流的精確性難以保證。在文獻(xiàn)［9］中，利用IGBT模塊關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的差模干擾信號(hào)峰值監(jiān)測(cè)IGBT模塊鍵合線老化程度，不僅可直接監(jiān)測(cè)IGBT模塊鍵合線老化程度，且無(wú)需考慮模塊結(jié)溫的影響，同時(shí)可在不破壞IGBT模塊封裝的情況下實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)［10］中研究人員利用IGBT模塊開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的DM信號(hào)相頻特性對(duì)模塊鍵合線的老化狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

焊料層空洞是IGBT模塊最為常見(jiàn)的老化方式之一，文獻(xiàn)［11］研究了焊料層空洞和IGBT模塊飽和壓降[Vce_on]的關(guān)系，得到焊料層空洞會(huì)導(dǎo)致[Vce_on]隨之增加的結(jié)論；文獻(xiàn)［3］提出一種基于IGBT模塊外殼溫度梯度的IGBT模塊焊料層健康狀態(tài)評(píng)估的方法，通過(guò)芯片定位、穩(wěn)態(tài)過(guò)程識(shí)別以及基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的殼溫值獲取，提出利用外殼溫度反映焊料層空洞的評(píng)估模型；文獻(xiàn)［12］發(fā)現(xiàn)焊料層空洞的面積不同會(huì)造成電壓偏置特性和電流密度發(fā)生改變；有學(xué)者提出不同位置的焊料層空洞會(huì)對(duì)IGBT模塊結(jié)溫有不同的影響［13-14］。

現(xiàn)有研究中大都是對(duì)IGBT模塊某一種特定老化進(jìn)行特征參數(shù)監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)方法具有一定的局限性，未考慮到多種老化同時(shí)發(fā)生對(duì)特征監(jiān)測(cè)參數(shù)的抵消或疊加作用，如文獻(xiàn)［11］只考慮焊料層空洞對(duì)[Vce_on]的影響，理想化地認(rèn)為鍵合線是健康的。本文提出利用電磁輻射干擾（electromagnetic radiation interference，EMR）與[VeE_peak]相結(jié)合對(duì)IGBT模塊進(jìn)行多老化識(shí)別。首先分析該方法的可行性，包括不同老化對(duì)IGBT模塊內(nèi)部寄生參數(shù)的影響，以及EMR、[VeE_peak]（功率發(fā)射極輔助發(fā)射極電壓）的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素；然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法對(duì)IGBT模塊多老化狀態(tài)下健康監(jiān)測(cè)的有效性；最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

1 多老化狀態(tài)IGBT模塊健康監(jiān)測(cè)機(jī)理

由于電路中存在寄生電感，快速關(guān)斷的集電極電流通常會(huì)導(dǎo)致IGBT模塊在關(guān)斷期間電壓過(guò)調(diào)。在IGBT模塊中通常有兩個(gè)發(fā)射極，分別為輔助發(fā)射極和功率發(fā)射極，一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)回路一個(gè)用于主回路，在二者中間存在寄生電感。在關(guān)斷過(guò)程中，相同的可變[dic/dt]也將在寄生電感[LeE]上感應(yīng)出可測(cè)量的電壓[VeE]。而由于IGBT模塊構(gòu)造的獨(dú)特性，發(fā)射輔助電感有著較強(qiáng)的穩(wěn)定性，這就使得感應(yīng)電壓[VeE]可作為良好的監(jiān)測(cè)參數(shù)。在IGBT模塊開關(guān)過(guò)程中不僅有快速變化的電流，亦有快速變化的電壓存在，二者與模塊內(nèi)部寄生電感、電容耦合，不可避免地產(chǎn)生了電磁干擾信號(hào)。因此除了監(jiān)測(cè)模塊封裝結(jié)構(gòu)的老化狀態(tài)，監(jiān)測(cè)模塊的電磁干擾水平也是不可或缺的環(huán)節(jié)。本節(jié)將[VeE-peak]與EMR相結(jié)合，從不同封裝老化對(duì)內(nèi)部參數(shù)的影響機(jī)理出發(fā)，探究不同參數(shù)改變對(duì)兩種信號(hào)的影響，從電信號(hào)和電磁信號(hào)兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)IGBT模塊健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該方法可監(jiān)測(cè)多種老化同時(shí)發(fā)生時(shí)的IGBT模塊健康狀態(tài)。

1.1 IGBT模塊關(guān)斷過(guò)程中VeE產(chǎn)生機(jī)理

在IGBT模塊中，由于內(nèi)部連接，存在兩種發(fā)射極。一個(gè)是功率發(fā)射極（E），用于集電極電流的傳導(dǎo)；另一個(gè)是開爾文發(fā)射極（e），用于柵極驅(qū)動(dòng)。因此，在外部端子E、驅(qū)動(dòng)端子e和內(nèi)部芯片之間存在兩個(gè)寄生電感[Lek]和[LkE]。此外，[Lek]和[LkE]的組合可等效于模塊外部的信號(hào)電感[LeE]，如圖1所示。

大功率IGBT模塊的關(guān)斷過(guò)程主要受柵極驅(qū)動(dòng)和電路參數(shù)的影響。圖2描述了帶感性負(fù)載的IGBT關(guān)斷過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)波形。非理想IGBT模塊關(guān)斷過(guò)程可分為4個(gè)階段。

階段1［[t0～t1]］：在[t0]時(shí)刻，當(dāng)柵極電壓[Vge]從導(dǎo)通柵極電壓[Vgon]開始下降時(shí)，在[Lek]上產(chǎn)生感應(yīng)電壓[VeE]，這主要是由于柵極電流[ig]的快速變化引起的。在此階段，集電極電流無(wú)變化。因此，穿過(guò)[LeE]的感應(yīng)電壓[VeE]可表示為：

[VeE=Vek=Lekdigdt] （1）

階段2［[t1～t2]］：在[t1]時(shí)刻，[Vge]繼續(xù)下降，直到[Vge]達(dá)到米勒平臺(tái)電壓[Vgp]。由于[Vgp]仍高于閾值電壓[Vth]，因此在此階段集電極電壓[Vce]略有上升，集電極電流[ic]保持不變。由于這個(gè)階段的電壓是恒定的，這意味著幾乎所有的柵極電流[ig]都是由[igc]提供的。因此柵極電流基本不變。此外，由于[ic]恒定，感應(yīng)電壓[VeE]為0。

階段3［[t2～t3]］：在[t2]時(shí)刻，集電極電壓[Vce]迅速升高，柵極集電極電容[Cgc]迅速降低。由于[Vge]在此階段是緩慢下降，柵極電流[dig/dt]的變化很小。為保證感應(yīng)負(fù)載，在此階段，集電極電流可視為保持恒定。因此，可認(rèn)為感應(yīng)[VeE]的值為0。

階段4［[t3～t4]］：在[t3]時(shí)刻，一旦集電極電壓達(dá)到母線電壓[Vdc]，反并聯(lián)二極管開始傳導(dǎo)負(fù)載電流。此外，集電極電流在此階段快速下降，[dic/dt]的快速變化也會(huì)在[LkE]上產(chǎn)生電壓[VkE]，感應(yīng)電壓[VeE]為：

[VeE=VkE=LeEdicdt] （2）

[VeE]主要受電感和電流變化率的影響，IGBT模塊的兩個(gè)發(fā)射極之間是通過(guò)銅薄片連接的，穩(wěn)定性較強(qiáng)，因此[VeE]主要受電流變化率影響。

1.2 IGBT模塊EMR信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理

本文旨在利用[VeE_peak]與EMR相結(jié)合來(lái)監(jiān)測(cè)IGBT模塊不同老化狀態(tài)，通過(guò)不同老化對(duì)內(nèi)部參數(shù)的影響不同來(lái)反應(yīng)IGBT模塊的健康狀態(tài)。既考慮了封裝老化對(duì)電參數(shù)的影響，又考慮了老化對(duì)磁參數(shù)的影響。在一定程度上可避免兩種及以上老化耦合對(duì)IGBT模塊健康監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤導(dǎo)。在1.1節(jié)中詳細(xì)介紹了IGBT模塊關(guān)斷過(guò)程中[VeE]的產(chǎn)生機(jī)理，本節(jié)將重點(diǎn)放在EMR信號(hào)的產(chǎn)生上。

在IGBT模塊開關(guān)過(guò)程中，內(nèi)部寄生參數(shù)與快速變化的電流電壓變化率相互耦合產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。IGBT模塊常見(jiàn)的電磁干擾類型分為共模（common mode， CM）干擾以及差模（differential mode， DM）干擾。根據(jù)輻射磁場(chǎng)的知識(shí)，共模干擾電流和差模干擾電流將會(huì)向周圍環(huán)境中發(fā)出電磁輻射干擾信號(hào)，稱為EMR。圖3所示是IGBT模塊CM/DM電流示意圖，可看出DM、CM干擾信號(hào)分別以環(huán)狀結(jié)構(gòu)向周圍發(fā)射輻射信號(hào)［15］。

EMR信號(hào)是由如圖3所示干擾電流環(huán)產(chǎn)生的，因此干擾電流環(huán)相當(dāng)于一個(gè)能產(chǎn)生輻射磁場(chǎng)的小環(huán)路天線。其電場(chǎng)強(qiáng)度[E]如式（3）所示。

[E=1.31·10-14·f2ISr] （3）

式中：[f]——庫(kù)侖力；[I]——環(huán)路電流，A；[S]——環(huán)路的面積，m2；[r]——空間中距離電場(chǎng)的直線距離，m。由式（3）可看出，EMR的輻射強(qiáng)度與頻率、干擾電流和環(huán)路面積呈正相關(guān)，與距離呈負(fù)相關(guān)。

2 IGBT模塊封裝老化對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的影響

IGBT模塊封裝級(jí)別老化可分為鍵合線老化和焊料層老化，常規(guī)的老化監(jiān)測(cè)方法大都是基于特定參數(shù)監(jiān)測(cè)特定老化。若當(dāng)兩種老化同時(shí)發(fā)生時(shí)，會(huì)影響常規(guī)健康狀態(tài)方法的準(zhǔn)確性。兩種老化會(huì)造成不同寄生參數(shù)的改變，所以會(huì)造成[VeE-peak]和EMR信號(hào)幅值發(fā)生不同的改變。

2.1 鍵合線斷裂對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)EMR、VeE的影響

如圖4所示是IGBT模塊平面圖及模型，從圖4可看出IGBT模塊的8根鍵合線是并聯(lián)的，可等效為一個(gè)可變阻抗。當(dāng)鍵合線斷裂根數(shù)增加時(shí)，IGBT芯片與發(fā)射極端之間的阻抗增加。IGBT模塊的DM干擾信號(hào)主要是由于雜散電感變化引起的，當(dāng)IGBT模塊鍵合線斷裂根數(shù)不斷增加時(shí)，DM信號(hào)強(qiáng)度增加，進(jìn)而導(dǎo)致EMR信號(hào)隨之改變。

[VeE]主要受電流變化率和電感影響。集電極電流變化率主要受柵極電容和柵極電阻影響，在IGBT模塊關(guān)斷過(guò)程中集電極電流[ic]變化率如式（4）所示，柵極發(fā)射極電容[Cge]如式（5）所示。

[dicdt=gmVgoff-Vth-IL/gmRG（Cgc+Cge）+gmLe] （4）

[Cgc=CoxsCsCoxs+Cs+CoxcCcCoxc+Cc] （5）

式中：[gm]——跨導(dǎo)，A/V；[IL]——負(fù)載電流，A；[RG]——柵極電陰，Ω；[Cs]與源N+區(qū)的電荷相關(guān)；[Cc]與P區(qū)的電荷相關(guān)，對(duì)于[Cs]和[Cc]來(lái)說(shuō)，在IGBT模塊的反型區(qū)和累加區(qū)，此時(shí)的[Cc]和[Cs]的容值是巨大的，則[Cge]可表達(dá)為：

[Cge=Coxs+Coxc] （6）

而在IGBT模塊的耗盡區(qū)，[Cs]的值等于0，則此時(shí)有：

[Cge=CoxcCcCoxs+Cc] （7）

[Coxs=Agestox_geε0εox， Coxc=Agectox_geε0εox] （8）

式中：[Ages]、[Agec]——門極多晶硅（m2）和N+區(qū)、P區(qū)之間交疊面積（m2）；[tox_ge]——門極多晶硅與N+區(qū)域和P阱間的氧化層的厚度，m［16］。當(dāng)IGBT模塊鍵合線斷裂時(shí)會(huì)導(dǎo)致[Ages]和[Agec]減小，從而導(dǎo)致[Cge]減小。柵極集電極電容[Cgc]如式（9）所示。

[Cgc=coxdcdepcoxd+cdep，" Cdep=Aq·Nb·εsi2Vce-Vgeth] （9）

式中：[Nb]——襯底電子濃度。

從前文分析可看出鍵合線脫落會(huì)導(dǎo)致電容的接觸面積減小，所以[Cgc]的值會(huì)減小。綜上，當(dāng)IGBT模塊鍵合線脫落時(shí)，電容[Cge]和[Cgc]會(huì)下降，導(dǎo)致集電極電流變化率增大。根據(jù)式（2），當(dāng)[dic/dt]增大時(shí)，[VeE]也隨之增大。

2.2 焊料層空洞對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)VeE、EMR的影響

在長(zhǎng)期的高強(qiáng)度工況下，IGBT模塊焊料層不可避免發(fā)生老化。如圖5所示為IGBT模塊焊料層空洞老化模型。當(dāng)焊料層發(fā)生空洞時(shí)，因?yàn)樘沾蓪拥姆€(wěn)定性，陶瓷層電容并不會(huì)發(fā)生變化，只會(huì)使焊料層電容[Cd]改變，且隨著IGBT模塊老化加劇，焊料層空洞增加，使得[Ao]增大，從而導(dǎo)致IGBT模塊節(jié)點(diǎn)與地之間的極間電容[Cp]減小。電容公式為：

[C=C0CdAtc] （10）

在前文分析中提出EMR信號(hào)主要是由于CM/DM干擾引起的［16］，如圖6所示為CM干擾等效電路圖，當(dāng)IGBT模塊焊料層發(fā)生空洞時(shí)，根據(jù)式（11）、式（12）所示，會(huì)導(dǎo)致CM電壓（[VCM]）降低。根據(jù)電壓電流關(guān)系式，當(dāng)CM電壓減小時(shí)會(huì)導(dǎo)致干擾電流減小，從而使得電磁輻射干擾強(qiáng)度降低。

[ICM=VCMRN] （11）

[VCM=0.5RNZσ+ZeqVce] （12）

式中：[Zσ=Rc3+jωLc3+1jωCp]；[Zeq=]

[Z1Z1+Z2Z3+2Z4+Z5+Z4Z3+Z4+Z52Z1+Z2+Z21Z32Z1+Z2Z3+2Z4+Z52Z1Z2]，其中，[Z1=RN+1jωCN]，[Z2=2jωLN]，[Z3=Rc1+jωLc1]，[Z4=Rc2+jωLc2]， [Z5=RF+jωLF+1jωCF]。

當(dāng)IGBT模塊焊料層空洞時(shí)，寄生電容的大小會(huì)發(fā)生變化。然而，[VeE]主要受電感和電流變化率的影響。如式（13）、式（14）所示，其中[uni]為載流子濃度，[Vge]為柵射極電壓，[Vth]則為閾值電壓，隨著溫度的升高，載流子濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致電流變化率隨之變化。不過(guò)，焊料層空洞對(duì)溫度的影響微不足道，只有在溫度大幅度改變時(shí)才會(huì)對(duì)[VeE]產(chǎn)生明顯影響。在文獻(xiàn)［14］中，研究者利用Cauer模型測(cè)得焊料層空洞率從5.5%上升至15%，結(jié)溫升高約2 ℃，并不足以引起電流變化率產(chǎn)生明顯改變。

[dicdt=dVgedt11-αPNPTuniTcoxzLCHVge-VthT] （13）

[uni=1500300T2.5] （14）

式中：αpnp——PNP晶體管的電流增益；cOX——氧化物電容，μF；z——MOSFET信道寬度，mm；LCH——MOSFET晶體管溝道長(zhǎng)度，mm。

2.3 多老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)IGBT模塊鍵合線發(fā)生斷裂時(shí)，隨著斷裂根數(shù)的增加，鍵合線阻抗增大，使得EMR幅值增大，然而當(dāng)焊料層發(fā)生空洞時(shí)，由于寄生電容的減小，導(dǎo)致干擾電流減小，使得EMR幅值降低。由于兩種老化對(duì)內(nèi)部參數(shù)的影響機(jī)理不同，導(dǎo)致對(duì)EMR的影響出現(xiàn)抵消的情況，使得EMR信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確反映IGBT模塊健康狀態(tài)。同時(shí)當(dāng)IGBT模塊鍵合線老化時(shí)，會(huì)引起[VeE]峰值的增加，但由于焊料層空洞對(duì)[VeE]無(wú)影響，進(jìn)而對(duì)[VeE_peak]增加時(shí)焊料層的健康狀態(tài)無(wú)法判斷。本文根據(jù)不同老化對(duì)寄生參數(shù)的影響，提出一種基于EMR和[VeE_peak]結(jié)合的多老化IGBT模塊健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

如圖7所示是測(cè)試電路圖，通過(guò)示波器測(cè)量IGBT模塊功率發(fā)射極輔助發(fā)射極之間的電壓，通過(guò)近場(chǎng)探頭和頻譜分析儀來(lái)捕獲IGBT模塊的EMR頻譜。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為對(duì)所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路搭建如圖8所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中使用直流電源為主回路提供直流電壓。在電源兩端并聯(lián)一個(gè)電容，起到穩(wěn)壓作用。在電路中接入線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（line impedance stabilization network，LISN），用來(lái)隔離電波干擾，提供穩(wěn)定的測(cè)試阻抗，并起到濾波的作用。采用示波器采集[VeE]波形，IGBT驅(qū)動(dòng)板采用直流電源供電。信號(hào)發(fā)生器為IGBT模塊提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。利用輻射線圈收集IGBT模塊EMR信號(hào)，再利用與其相連的頻譜分析儀將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

實(shí)際中EMR信號(hào)利用輻射線圈捕獲，將輻射線圈連接至頻譜分析儀，同時(shí)頻譜分析儀與上位機(jī)相連，而[VeE_peak]則可通過(guò)示波器探頭獲取數(shù)據(jù)，再由Origin處理得到波形。其中輻射線圈探頭需放置于模塊上方且與其垂直，示波器探頭分別與功率發(fā)射極端子和輔助發(fā)射極端子相連。

3.2 基于VeE_peak監(jiān)測(cè)IGBT模塊鍵合線、焊料層健康狀態(tài)

本文采用挑斷鍵合線的方法來(lái)表示正常運(yùn)行時(shí)鍵合線斷裂的情況。在負(fù)載電壓30 V、驅(qū)動(dòng)電壓15 V、驅(qū)動(dòng)頻率1 kHz、占空比50%的工況下依次挑斷鍵合線。利用示波器測(cè)量不同鍵合線斷裂根數(shù)下[VeE_peak]的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

如圖9a所示，當(dāng)IGBT模塊鍵合線斷裂根數(shù)增加時(shí)，集電極電流變化率增大，從而導(dǎo)致[VeE]增大，圖9b是不同斷裂根數(shù)下[VeE]峰值，當(dāng)斷裂根數(shù)為0時(shí)，[VeE_peak]為2.11 V，隨著斷裂根數(shù)增加到7根，電壓增大至2.4 V。

為能準(zhǔn)確得到不同焊料層空洞率與[VeE]的關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)定制一批特定空洞率的模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同樣在負(fù)載電壓30 V、驅(qū)動(dòng)電壓15 V、驅(qū)動(dòng)頻率1 kHz、占空比50%的工況下測(cè)量0.0%、4.1%、5.3%、9.5%、11.3%焊料層空洞率的IGBT模塊。測(cè)量結(jié)果如圖10所示。

從圖10a、圖10b可看出，隨著IGBT模塊焊料層空洞率不斷增加，[VeE_peak]的幅值并未出現(xiàn)明顯變化，這是因?yàn)镮GBT模塊焊料層空洞對(duì)溫度的影響不足以改變[VeE_peak]的值。從空洞率0%到空洞率11.3%，[VeE_peak]基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 利用EMR信監(jiān)測(cè)IGBT模塊鍵合線、焊料層健康狀態(tài)

隨著鍵合線斷裂，IGBT模塊阻抗變大，阻抗變大的同時(shí)導(dǎo)致干擾電流增大，從而使得EMR幅值增大，在負(fù)載電壓30 V、驅(qū)動(dòng)電壓15 V、驅(qū)動(dòng)頻率30 kHz的工況下利用近場(chǎng)探頭結(jié)合頻譜分析儀測(cè)得不同鍵合線斷裂根數(shù)的EMR幅值，如圖11所示。

從圖11a可看出，當(dāng)IGBT模塊鍵合線斷裂時(shí)，隨著斷裂數(shù)量的增加，其EMR信號(hào)幅值隨之增大。選取32 MHz為參考點(diǎn)，構(gòu)建如圖11b所示的幅值圖，可看出，斷裂根數(shù)為0、1、3、5、7時(shí)EMR幅值分別為18.8、19.7、20.8、21.9、22.4 dBμA，因此鍵合線斷裂對(duì)EMR幅值有著明顯的增強(qiáng)。

當(dāng)IGBT模塊焊料層空洞時(shí)，空洞部分的焊料被空氣替代，使得寄生電容減小，干擾電流隨之減小，導(dǎo)致EMR幅值降低。在相同工況下利用近場(chǎng)探頭結(jié)合頻譜分析儀測(cè)量不同焊料層空洞的IGBT模塊EMR幅值變化，結(jié)果如圖12所示。

如圖12a所示，隨著焊料層空洞率的增大，EMR信號(hào)幅值出現(xiàn)明顯的降低，由圖12b可看出，當(dāng)焊料層空洞率為0.0%、4.1%、5.3%、11.3%、15.0%時(shí)，幅值分別為15.7、14.8、14.2、13.1、12.2 dBμA，且空洞率每增大10%，幅值下降約2 dBμA。

3.4 多老化同時(shí)發(fā)生對(duì)EMR、VeE_peak的影響

當(dāng)在IGBT模塊中同時(shí)發(fā)生鍵合線斷裂和焊料層空洞時(shí)，由于二者的影響機(jī)理不同，對(duì)EMR信號(hào)的影響會(huì)相互抵消。這時(shí)EMR信號(hào)不能準(zhǔn)確判斷IGBT模塊健康狀態(tài)。本文分別測(cè)量正常模塊、焊料層空洞率7.4%模塊、鍵合線斷裂3根模塊、焊料層空洞率7.4%且鍵合線斷3根模塊的EMR幅值，測(cè)量結(jié)果如圖13所示。

從圖13可看出，無(wú)論是焊料層空洞還是鍵合線斷裂，當(dāng)其單一發(fā)生時(shí)，都可通過(guò)EMR來(lái)監(jiān)測(cè)，但當(dāng)兩種老化同時(shí)發(fā)生時(shí)，由于兩者對(duì)EMR信號(hào)的影響相互抵消，使得EMR信號(hào)未出現(xiàn)明顯變化，無(wú)法通過(guò)EMR信號(hào)幅值變化進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

同時(shí)分別測(cè)量健康IGBT模塊、焊料層空洞率7.4%模塊、鍵合線斷裂3根模塊、焊料層空洞率7.4%模塊且鍵合線斷裂3根模塊的[VeE_peak]，測(cè)量結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知，當(dāng)IGBT模塊發(fā)生鍵合線斷裂時(shí)，[VeE]相較于健康模塊上升約10%。但當(dāng)焊料層空洞率為7.4%時(shí)[VeE]無(wú)明顯變化；且當(dāng)焊料層空洞與鍵合線斷裂同時(shí)發(fā)生時(shí)，[VeE]波形基本重合，更加證明焊料層空洞對(duì)[VeE]的影響甚微。

若只用EMR監(jiān)測(cè)IGBT模塊封裝老化，雖然焊料層空洞和鍵合線脫落都會(huì)導(dǎo)致EMR幅值改變，但當(dāng)其同時(shí)發(fā)生時(shí)，由于兩種老化對(duì)EMR的影響是相反的，這就導(dǎo)致此時(shí)的EMR幅值與健康模塊的幅值無(wú)明顯差異，無(wú)法監(jiān)測(cè)模塊健康狀態(tài)。同時(shí)，若只用[VeE_peak]來(lái)監(jiān)測(cè)IGBT模塊封裝老化，由于焊料層空洞對(duì)[VeE_peak]無(wú)影響，因此無(wú)法確定焊料層老化狀態(tài)。但本文將兩種監(jiān)測(cè)參數(shù)結(jié)合，根據(jù)不同的老化對(duì)參數(shù)的影響繪制表1，以此達(dá)到監(jiān)測(cè)多種老化的目的。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和表1，可通過(guò)EMR、[VeE_peak]相結(jié)合的方法對(duì)IGBT模塊進(jìn)行健康狀態(tài)檢測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)的改變情況判斷IGBT模塊健康狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文提出一種考慮多種老化狀態(tài)下的IGBT模塊健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。首先，通過(guò)對(duì)EMR和[VeE]產(chǎn)生的機(jī)理以及影響因素進(jìn)行理論分析。然后分析焊料層空洞和鍵合線斷裂對(duì)IGBT模塊寄生電容、電感等參數(shù)的影響，以及不同寄生參數(shù)改變對(duì)EMR和[VeE]產(chǎn)生的影響。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同老化狀態(tài)下IGBT模塊EMR和[VeE_peak]值的變化情況。得出以下主要結(jié)論：

1）[VeE_peak]不變，EMR不變，則模塊完好；

2）[VeE_peak]不變，EMR降低，則發(fā)生焊料層空洞；

3）[VeE_peak]增大，EMR增大，則鍵合線發(fā)生老化；

4）[VeE_peak]增大，EMR無(wú)明顯變化，則焊料層空洞、鍵合線老化同時(shí)發(fā)生。

通過(guò)以上4種情況即可判斷IGBT模塊的封裝老化情況，為光伏發(fā)電和風(fēng)電系統(tǒng)中逆變器的可靠運(yùn)行提供了可監(jiān)測(cè)的方法。

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PACKAGING AGING MONITORING BASED ON EMR AND VeE_peak COMBINED ELECTRICAL PARAMETERS IN IGBT MODULE

Dong Chao，Wei Hujun，Yin Jinliang，Du Mingxing

（Tianjin Key Laboratory of New Energy Power Conversion， Transmission and Intelligent Control，

Tianjin University of Technology， Tianjin 300384， China）

Abstract：A method is proposed for the packaging aging of IGBT modules to be monitored， based on the combination of EMR and VeE_peak electrical parameters， with the aim of the health status of IGBT modules being monitored when multiple aging events occur simultaneously. Firstly， the generation mechanism of VeE_peak and radiated interference signal （EMR） and the influence of parasitic parameters inside the module on VeE and EMR were analyzed. Secondly， the impact of bond wire lift-off and solder layer voids on the internal parasitic parameters of IGBT modules is analyzed. Finally， the feasibility of this method was verified through experiments. This is a non-invasive monitoring method that does not require complex monitoring circuits， which can effectively reduce the errors caused by various aging coupling on the health status monitoring results of IGBT modules.

Keywords：solder layer void； IGBT module； bonding wires aging； electromagnetic radiation interference； VeE_peak