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多芯并聯(lián)封裝IGBT的缺陷以及失效先導(dǎo)的判據(jù)

獨愛72H ? 來源:電氣新科技 ? 作者:電氣新科技 ? 2020-04-20 22:15 ? 次閱讀

(文章來源:電氣科技
絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)是由雙極型三極管(Bipolar Junction Transistor, BJT)和絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和電力晶體管(Giant Transistor, GTR)的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。

IGBT模塊內(nèi)部封裝了多只IGBT和二極管芯片,芯片間通過鍵合線連接并匯流到模塊端子。實際應(yīng)用中,芯片的性能差異會逐漸累積放大并最終導(dǎo)致通流、耐壓、傳熱等特性異常,外在表現(xiàn)為器件功能性降級或失效。IGBT模塊安全可靠運行的前提是預(yù)防、檢測以及執(zhí)行保護措施。由于IGBT模塊特別是高壓大功率模塊工作條件惡劣、運行參數(shù)復(fù)雜、系統(tǒng)雜散參數(shù)多變,IGBT的缺陷診斷遇到很大障礙,且模塊內(nèi)部不易放入測量裝置,實時監(jiān)測雜散參數(shù)幾乎不可實現(xiàn)。IGBT的失效主要有過電壓失效、過電流失效、功率或溫度循環(huán)失效。

過電壓失效產(chǎn)生的主要原因是VCE過電壓、柵極過電壓、浪涌電壓以及靜電等因素;過電流失效主要與短路、散熱不良、開關(guān)頻率驟變有關(guān);功率或溫度循環(huán)失效主要是溫度變化較快導(dǎo)致的。這些失效廣泛存在于IGBT的應(yīng)用場合,器件整體失效表現(xiàn)較為明顯,但是內(nèi)部芯片部分失效或缺陷卻難以觀測。

多芯并聯(lián)封裝IGBT的缺陷以及失效先導(dǎo)的判據(jù)

由于大功率IGBT模塊制程和封裝具有很高的技術(shù)要求,模塊內(nèi)部特性參數(shù)作為廠家的技術(shù)核心,不會公布較多細節(jié)。從模塊內(nèi)部芯片和焊接線的保護方案,廠家都沒有提供。另外,大功率IGBT應(yīng)用條件復(fù)雜,工作特性體現(xiàn)較大的多樣性,器件廠家和系統(tǒng)供應(yīng)商一般只給出通常應(yīng)用系統(tǒng)級的保護措施,無法給出一種適合裝置系統(tǒng)和器件本體的保護方案。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出了一種對IGBT模塊本體做出器件級的保護的先導(dǎo)判據(jù),通過辨識模塊內(nèi)部芯片和連線的寄生參數(shù),找出雜散參數(shù)變化導(dǎo)致的外特性改變,從而提早發(fā)現(xiàn)IGBT的缺陷和失效風(fēng)險。構(gòu)建了多芯片并聯(lián)封裝IGBT模塊內(nèi)部雜散參數(shù)的柵源通道回流數(shù)學(xué)模型,分析了鍵合線參數(shù)、芯片布局、柵源電容與門極電阻等影響因子對先導(dǎo)判據(jù)的影響,利用最小二乘法對上述雜散參數(shù)進行辨識,達到通過外特性準確反映內(nèi)部參數(shù)的變化特性,最終實現(xiàn)IGBT模塊內(nèi)部缺陷與失效的前期判定。

研究人員通過仿真和實驗,比對不同故障下的雜散參數(shù)變化分布情況,驗證了該方法對英飛凌高壓大功率IGBT內(nèi)部故障類型與故障程度判斷的有效性。

芯片故障時輸入電容參數(shù)減小,柵極電阻和雜散電感參數(shù)增大。當柵極電阻與雜散電感參數(shù)增加10%以上,輸入電容參數(shù)減小10%以上時,說明內(nèi)部鍵合線多數(shù)脫落或斷裂,也可能是IGBT元胞芯片自身故障,系統(tǒng)故障隨時發(fā)生,器件應(yīng)當立即維修或更換。當柵極電阻與雜散電感參數(shù)增加小于10%,而輸入電容參數(shù)變化不大(不超過2%)時,說明內(nèi)部可能發(fā)生了少量鋁鍵合線的故障,系統(tǒng)有故障風(fēng)險,器件本體應(yīng)當降級運行或者維修。
(責(zé)任編輯:fqj)

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