功率循环下IGBT模块电热参数变化规律分析*

吕 高，赵巧娥，许亚惠

（1.山西大学，太原 030013；2.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

功率循环下IGBT模块电热参数变化规律分析*

吕 高1，赵巧娥1，许亚惠2

（1.山西大学，太原 030013；2.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

为了分析IGBT模块老化过程中电热参数的变化规律，对IGBT模块进行了功率循环加速老化试验，并基于单脉冲测试方法在加速老化试验进程中每间隔1 000次功率循环，测取一次IGBT的结温、集电极电流与饱和压降三维关系曲面、开关能耗、热阻抗以及瞬态热阻抗曲线。IGBT模块老化失效时，其饱和压降、开通能耗、关断能耗以及热阻较其初始值分别增大了3.92%、12.05%、18.87%和22.65%，试验结果表明随着IGBT模块功率循环次数的增多，相同工作条件下IGBT饱和压降的增幅逐渐加大，而饱和压降、结温和集电极电流三者间的内在关系没有明显变化；IGBT瞬态热阻抗曲线暂态部分几乎不变，稳态部分向上移动的幅度逐渐加大；测取的IGBT模块电热参数中饱和压降增幅最小，开关能耗增幅较大，模块热阻的增幅最为明显。

IGBT模块，功率循环，老化试验，电热参数

0 引言

绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是一种复合全控型功率半导体器件，由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成，不仅具有场效应管的开关速度快、输入阻抗高和驱动功率小等优点，而且具有三极管导通压降低和载流密度大的优点，已成为电力电子领域理想的开关器件，并广泛应用于交流电机、开关电源、牵引传动及变频器等关键领域［1］。

随着功率制造工艺的发展，IGBT模块体积越来越小，而要求的耐压等级和电流密度却不断增大。普通塑封装IGBT模块为由引线、芯片、焊料层、DCB陶瓷层和基板等构成的分层结构，各层材料的热膨胀系数、导热率、厚度、热阻和热容均不相同［2］。IGBT在高频大功率的应用场合往往会产生较大的开关损耗，使得IGBT的结温波动幅度较大，IGBT各层材料的热膨胀系数也不同，内部连接处受到不同的热机械应力，长期承受温度功率循环将导致器件疲劳老化失效［3］。最常见的与封装相关的失效类型主要有两种：引线失效和焊料层失效［4］，这两种失效均会使得IGBT的诸多物理常数和器件内部参数发生改变［5］，其工作特性也将随温度的不同发生较大的变化，故研究IGBT模块电热参数在功率循环条件下的变化情况对评估IGBT模块工作状态，预测其疲劳寿命，提高其可靠性具有重要意义。

1 功率循环加速老化试验原理及方法

1.1 试验原理

功率循环加速老化试验是在一定频率下对IGBT进行重复导通与关断，导通状态产生功率损耗使得模块温度上升；关断状态模块通过散热器散热，温度下降。该方法利用IGBT模块自身功率损耗产生热量，能够有效模拟IGBT模块的实际运行情况。

功率循环加速老化试验［6-7］主要分为两类：△Tj功率循环加速老化试验和△Tc功率循环加速老化试验，△Tj、△Tc功率循环加速老化试验原理示意图如图1所示。

图1 功率循环加速老化试验原理示意图

图1中下标2代表△Tc功率循环，下标1代表△Tj功率循环；实线、点划线分别为IGBT结温、壳温变化曲线；△Tjw1（△Tjw2）为结温波动幅度，△Tcw1（△Tcw2）为壳温波动幅度，T0为 IGBT模块初始温度；ton1（ton2）、toff1（toff2）分别表示IGBT导通、关断时间。

△Tj功率循环加速老化试验中IGBT导通时间一般为几秒，关断时间一般为几十秒，所以在较短的导通时间内IGBT功率损耗仅能引起其结温Tj的大幅上升，壳温Tc增幅不大，该方法只能引起较大的结温波动，主要模拟IGBT模块的引线失效；△Tc功率循环加速老化试验中IGBT导通时间和关断时间都较长，一般导通时间为几分钟，关断时间为十几分钟甚至几十分钟，这样使得IGBT模块结温和壳温均有较大的波动量，所以该方法能够同时模拟引线失效和焊料层疲劳老化失效。因此，为了能够同时模拟引线失效和焊料层疲劳老化失效，采用△Tc功率循环加速老化试验方法对IGBT模块进行研究。

1.2 试验方法

为防止试验过程中IGBT模块的偶然失效，保证试验结果的普遍性和可信性，选用3个型号为MMG75S120B的双管半桥型IGBT模块作为研究对象，并对其实施加速老化试验，实验过程中，4个IGBT模块上管的栅极接反向电压保持关断状态。同时，为了确保IGBT模块在相同的老化试验条件下，将3个被测IGBT模块串联，△Tc功率循环加速老化试验电路图如图2所示。

图2 功率循环加速老化试验电路图

如图2所示，△Tc功率循环加速老化试验电路包括被测IGBT模块、控制开关、电感、二极管、可程控电源和恒流电源等。被测IGBT模块固定安装在风冷散热器上，并在IGBT芯片正下方的散热器上挖沟槽安装K型热电偶；控制开关S1由Labview软件控制，用于实现主电路的导通和关断；电感L主要用于防止主电路电流发生突变，保护IGBT模块；二极管D1用于在主电路关断时电感放电；考虑到IGBT模块的型号及实验环境，将电源VG设置为15 V。

参照国际电工委员会（IEC）的IEC60747-9：2007标准，并根据实验条件与△Tc功率循环加速老化试验电路设计△Tc功率循环加速老化试验步骤如下：①闭合控制开关S1；此时，程控直流电源输出50 A电流，栅极电压VG驱动IGBT导通。此过程中，IGBT模块会产生功率损耗并引起结温和壳温的上升，此过程风冷散热器不工作。②当K型热电偶检测到IGBT模块的壳温达到125°C时断开控制开关S1，并立即闭合开关S2；在主电路关断期间风冷散热器工作，加之IGBT处于关断状态，几乎不产生功率损耗，模块结温和壳温将会迅速下降，直到壳温下降至环境温度25°C时完成一个功率循环。③重复步骤①、②对IGBT模块进行重复试验直至IGBT模块失效（失效标准为IGBT模块结壳热阻Rth，jc相对于初始值增大20%）。

在△Tc功率循环加速老化试验进程中，每循环1 000次进行一次老化试验（包括初始新模块），并测取一次IGBT结温、集电极电流与饱和压降三维关系曲面、电热参数、瞬态热阻抗，其中通过单脉冲测试获取；开关损耗采用北京励芯泰思特测试技术有限公司的LX9600分立器件动态参数测试系统测取，测试条件为Udc=600 V，Ic=75 A，Rg=10 Ω，VGE=±15 V，Tj=125°C；热阻和瞬态热阻抗采用西安谊邦电子科技有限公司的YB-6911热阻测试系统测取，测试加热电流为20 A，精度为±10 mA。

单脉冲测试电路如图3所示，图中RL为功率电阻，Vc为程控电源。

图3 单脉冲测试电路示意图

IGBT模块饱和压降的测取受结温和集电极电流两者影响，故试验测试点需同时考虑结温和集电极电流对饱和压降的影响，测试点选取如下：

温度：间隔为10°C，温度范围为25°C～125°C。

电流：间隔为5 A，电流范围为5 A～150 A。

集电极电流较大时，IGBT模块会产生自热效应，造成结温升高，因此，获取大电流下IGBT模块饱和压降和结温的关系时，需设定脉冲的宽度足够小（0.001 s），以保证大电流引起的结温升高可以忽略。单脉冲测试试验步骤如下：①依据试验要求设置恒温箱温度，并将IGBT模块放入恒温箱。②IGBT模块达到热平衡后，即IGBT模块结温和壳温均为恒温箱设置温度，依据试验要求依此设定可控直流电源控制集电极电流，并给IGBT通以单脉冲触发电流，然后测取饱和压降。③基于MATLAB处理测取数据，画出Vce=f（Tj，Ic）三维曲面。

2 老化对IGBT模块电热参数的影响

△Tc功率循环6 000次后3个IGBT模块热阻增量均大于20%，模块均失效。不同功率循环次数下各IGBT模块热阻增量百分比如表1所示。

表1 不同功率循环次数时各IGBT模块热阻增量百分比

表1说明IGBT模块在功率循环2 000次后其热阻大约增大3%，模块开始进入疲劳阶段［8］；在功率循环5 000次后其热阻大约增大15.60%，模块已经严重老化；在功率循环6 000次后其热阻大约增大22.39%，认为模块失效。下面以IGBT32为例说明IGBT模块老化过程中各电热参数的变化情况。

△Tc功率循环加速老化实验进程中测得的不同功率循环次数下IGBT结温、集电极电流与饱和压降三维关系曲面Vce=f（Tj，Ic），如下页图4所示。

根据图4对比老化前后IGBT的饱和压降可知，随着功率循环次数的增多，相同工作点时IG BT饱和压降呈增大趋势，且递增增幅逐渐加大，而饱和压降、结温和集电极电流三者间的内在关系没有明显变化，即随着IGBT模块的老化，其饱和压降、结温和集电极电流三维曲面整体上移。这主要是由于IGBT模块随功率循环次数的增多其老化进程逐渐加快，加之IGBT模块的电、热特性相互耦合，模块老化会同时影响引起电热参数的改变。不同功率循环次数下IGBT模块的瞬态热阻抗曲线如图5所示。

图4 不同功率循环次数下IGBT的饱和压降

图5 不同功率循环次数下IGBT的瞬态热阻抗

从图5可以看出随着IGBT模块功率循环次数的增多其瞬态热阻抗曲线稳态部分向上移动，且上移幅度逐渐加大，瞬态部分几乎重合，这是因为IGBT模块老化主要造成其热阻的增大，对热容的影响程度很小。不同功率循环次数下IGBT模块的电热参数（Vce，Eon，Eoff，Rth，jc）及其相对初始值的增量百分比如表2所示，其中不同功率循环次数下的Vce均在结温Tj=85°C，Ic=60 A时测取。

表2 不同功率循环次数下IGBT模块的电热参数及其相对增量百分比

由表2可知，随着IGBT模块功率循环次数的增加IGBT饱和压降、开关能耗与热阻均增大，且增长速度逐渐加大。功率循环6 000次后，Vce、Eon、Eoff与Rth，jc分别较其初始值增大3.92%、12.05%、18.87%和22.65%。由此说明，随着模块的不断老化，IGBT饱和压降的增幅最小，开关能耗的增幅较大，模块热阻的增幅最为明显。

3 结论

本文在介绍IGBT模块功率循环加速老化试验和单脉冲测试方法原理的基础上，对IGBT模块进行了△Tc功率循环加速老化试验，并间隔1 000次功率循环测取一次IGBT结温、集电极电流与饱和压降三维关系曲面（Vce=f（Tj，Ic））、电热参数（Eon，Eoff，Rth，jc）、瞬态热阻抗（Zth，jc），通过对比分析试验数据，结论为：①随着IGBT模块功率循环次数的增多，相同工作条件下IGBT饱和压降呈增大趋势，且递增增幅逐渐加大；②IGBT模块在不同功率循环次数时，饱和压降、结温和集电极电流三者间的内在关系没有明显变化；③IGBT模块老化主要造成其热阻的增大，对热容的影响程度很小。因此，随着IGBT模块老化程度的加深，IGBT瞬态热阻抗曲线暂态部分几乎不变，稳态部分向上移动的幅度逐渐加大；④随着模块的不断老化，IGBT模块各电热参数的增长幅度均越来越大，其中饱和压降的增幅最小，开关能耗的增幅较大，模块热阻的增幅最为明显。

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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

山西省教育厅“面向工程、探索创新”电气工程及其自动化专业建设基金资助项目

吕 高（1975- ），男，山西大同人，硕士，讲师。研究方向：电力电子与电气传动。