IGBT模块失效机理和主动热控制综述

刘伟

摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。随着电力电子装置在新能源发电、交直流输配电系统、轨道交通以及电动汽车领域的广泛使用，功率器件朝着高电压等级、高功率密度趋势发展，因此电力电子装置可靠性成为广泛关注的焦点问题。根据工业报告统计，功率变流器系统故障约有38%源于功率器件的失效，研究表明绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块失效机理复杂，温度、湿度、振动、灰尘和污染都是影响功率器件失效的直接原因。IGBT模块是变流器内部最贵重的核心器件，也是最容易失效的部件之一，对于电力电子器件的使用寿命要求很少在10年以下，有的甚至要求达到30年。尤其是海上风电系统，所处地理位置偏远，运行环境较为恶劣，检修非常不便，而由功率器件引起的故障占风电机组故障的比例最高。因此，研究功率器件失效机理，是设计高可靠性电力电子变换器的必要环节，这对从事电力电子科研和相关工程技术人员也非常重要。本文就IGBT模块失效机理和主动热控制展開探讨。

关键词：IGBT模块;失效机理;主动热控制

引言

电力电子设备因其能量转换效率高、主动可控性和较快的动态响应速度等优点，广泛应用于对于可靠性需求较高的新能源发电、航空航天、高速机车牵引、混合动力电动汽车和工业电机驱动等领域中。在这些场合应用时，电力电子设备会面临各种或规律或不规律的功率大波动以及各种周期或非周期性的强机械振动等极端工况，相关统计表明，在光伏发电系统中计划外的检修有37%是由变流器故障引起的。而在变流器中功率器件常被列为最易失效的部件，同时根据调查，在工业中最常用的功率器件是IGBT。

1功率模块结构组成

功率模块主要由表贴型功率器件、陶瓷覆铜板、承载底板、引线端子等构成。陶瓷覆铜板上的铜箔层为表面贴型功率器件和引线端子提供电气连接，而陶瓷层则保证电气绝缘。承载底板选择与陶瓷覆铜板材料特性相似的AlSiC基板，为功率模块提供机械安装和导热界面。

2功率模块IGBT失效机理

2.1与封装结构相关的失效

（1）金属铝引线脱落。键合指的是使用细金属线，利用热、压力等能量的形式使引线与基板焊接，使内部芯片与基板达到互联并完成信息互通。在实际工作中，由于在正向导通电流流过可控器件导致温度升高，而在反向导通时电流经过反馈二极管续流使温度降低，所以功率模块不断受到温度变化的影响，由于芯片的材料与引线材料一般不同，其材料的热膨胀系数自然不同，温度的变化波动会使之间产生热机械应力，从而使表面产生细痕，并随着时间的累积逐渐加深，最终导致脱落。（2）不同焊料层间表面疲劳失效。封装结构材料的多样性导致各层间膨胀系统也不同。工作中，由于温度的不断波动，会在不同层表面产生不同的热应力，这样导致了各层材料变形的程度不一样，从而逐渐产生裂痕，而且材料表面的阻抗也随之增大，影响表面之间的热传导性。并且，由于环境因素的影响，往往会提前发生断裂导致失效。一般情况下温度对疲劳程度有着显著影响，而腐蚀环境对材料形变的程度也有一定的影响，虽然其影响程度不如前者，但几项因素叠加在一起，交互影响，加速导致焊料层发生故障失效。

2.2IGBT模块芯片失效

（1）电气过应力研究表明，IGBT芯片失效的主要原因在于承受了较大电气过应力。电气过应力失效指元器件承受的电流、电压应力或功率超过其允许的最大范围，通常数据手册中会给出IGBT模块的安全工作区，当电压、电流或者功率超出工作区范围即会出现IGBT芯片电气过应力失效。以过电压失效为例，栅射极过电压失效源于驱动电路的异常，而集射极过电压失效是因为回路中存在杂散电感，这会在器件的关断过程中感生一个电压尖峰而导致器件击穿失效。另外还可能导致集电极dV/dt过高，严重时发生动态擎住效应导致芯片热击穿失效。（2）静电放电。IGBT芯片内不同材料之间处于不同电位因而可能会发生静电荷的快速转移，产生的电场会导致局部击穿造成侵蚀性破坏，多次静电放电（也称为局部电击穿通道）最终会击穿栅极氧化层使得芯片失效。通常在设计高要求的IGBT模块时，会利用灭弧电压验证模块数据手册中的绝缘电压Viso，确保所使用工艺产生的静电放电达到绝缘要求。

3主动热控制

3.1外部热控制

（1）主动冷却。主动冷却是指冷媒循环传热，利用媒介将热量从器件内部加速带出至环境中。目前主动冷却的方式有：风冷、直接液冷、微通道、两相强制对流、射流冲击以及喷雾换热。标准的主动冷却方法中，风扇以恒定的速度驱动，并施加恒定的偏压。若以温度调节的方式来区分，它是一种前馈控制的方法，在系统中，功率耗散和环境温度都会被调节模块所感应到，然后调制风扇转速，来将给定位置处的温度（TX）降至最低。其优点在于这个系统是开环的（即它不受稳定性问题和环境条件的影响），这种主动冷却的方法可以预测温度变化，也就是说，可以在温度发生任何变化之前对干扰（功耗的变化）作出反应，从而使系统拥有更高的效率。其限制是无法直接监测和调节TX，而TX是一个实际变量，其值会受给定的参考值的约束。（2）热电制冷。热电制冷主要利用珀尔帖效应将器件温度传至环境中，其制冷效果主要取决于电偶对材料的热电势。由于半导体材料具有较高的热电势，因此，可以用它来制成小型的热电制冷器。由于热电制冷器不需要介质，又无机械部件，可靠性高，并可以逆向运转，而且温度可以精确地控制在±0.01℃，在电子设备或电子元器件的热控制方面得到了比较广泛的应用。早期的热电制冷主要注重静态的热负载的研究，但随着电力电子技术的发展，器件工况越来越复杂，就需要将器件温度作为一种动态热负载来看待，即需要考虑更多的问题如额外功耗以及新的控制电路等。目前，热电制冷（TEC）已成为制冷领域的一个重要发展方向，但是由于其转换效率过低且材料成本较高，难以得到广泛应用。

3.2IGBT模块焊料层状态监测

焊料层是IGBT模块散热路径中的重要通道，也是封装失效的薄弱环节，其状态监测对系统可靠性极为重要。焊料层老化会直接影响IGBT模块的结温变化，通过监测壳温、结温、热阻来评估模块的健康状态，是最直接有效的方式。

3.3内部热控制

（1）开关频率。功率器件在应用中，开关频率的大小直接影响开关损耗，因此可以通过调节开关频率对器件结温进行控制。，主要用改变脉冲宽度调制（PWM）的频率来限制最大结温。（2）开关驱动波形调整。器件开关损耗还受门极驱动信号的影响，因此可以通过调整开关驱动波形实现损耗控制。实现方式是通过外部驱动电路设计以调节驱动电压的幅值、上升时间、下降时间等。因此，该方法对驱动电路的精度和速度有着较高要求。

结语

IGBT模块偶尔发生一次损伤，长期损伤累积就会造成器件失效，因此功率器件失效是必然发生的，关键是何时开始失效。尤其当多种失效机制相互作用，使器件失效加速，为降低系统失效率，提高系统可靠性，功率器件健康状态监测成为提高电力电子可靠性的一种有效经济手段。

参考文献

[1]王彦刚，ChamundDinesh，李世平，等.功率IGBT模块的寿命预测[J].机车电传动，2018（2）：13-17，27.

[2]刘宾礼，肖飞，罗毅飞，等.基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法研究[J].电工技术学报，2018，32（16）：183-193.

[3]姚芳， 马静， 唐圣学， 等. IGBT模块键合损伤机理、演化规律及状态监测[J]. 仪器仪表学报， 2019， 40（4）： 88–99