IGBT的可靠性模型研究.pdf

1、開(kāi)發(fā)和利用清潔的風(fēng)能是我國(guó)解決能源和環(huán)保問(wèn)題的重要戰(zhàn)略舉措之一，但這一進(jìn)程的落實(shí)和規(guī)模發(fā)展受到風(fēng)電中變流裝置可靠性低的制約。由于風(fēng)電固有的功率波動(dòng)，導(dǎo)致功率器件持續(xù)經(jīng)受熱沖擊，加劇了器件的老化失效進(jìn)程，成為風(fēng)電并網(wǎng)變流裝置可靠性問(wèn)題的關(guān)鍵性因素之一，因此，功率器件的可靠性評(píng)估是并網(wǎng)裝置可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)。目前對(duì)功率器件在熱沖擊下的性能劣化和可靠性衰退的機(jī)理研究較少，對(duì)失效進(jìn)程的認(rèn)識(shí)和把握不足，缺少能表征器件失效進(jìn)程的特征量；對(duì)功率器件及并

2、網(wǎng)變流裝置的離線概率可靠性評(píng)估也因器件基礎(chǔ)可靠性指標(biāo)(如平均壽命、老化失效率、不可用率)的缺失，其深入開(kāi)展受到限制。因此，圍繞功率器件(以風(fēng)電并網(wǎng)變流裝置中常用的IGBT為對(duì)象)的可靠性在線檢測(cè)、可靠性概率的離線評(píng)估，論文的主要工作及結(jié)果如下：
　　 ① 推導(dǎo)總結(jié)了禁帶寬度、本征載流子濃度、載流子壽命、載流子遷移率及雙核擴(kuò)散系數(shù)等物理參數(shù)的溫度特性，建立了IGBT器件物理參數(shù)與電氣參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了IGBT

3、開(kāi)關(guān)速度減慢、通態(tài)壓降、漏電流惡化，閾值電壓突變、以及發(fā)生擎住效應(yīng)等電氣現(xiàn)象的物理機(jī)理，為分析其老化機(jī)理及動(dòng)態(tài)模型奠定了基礎(chǔ)。
　　 ② 結(jié)合解析模型和子電路模型的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了IGBT的PSPICE動(dòng)態(tài)電氣模型，在模型中用二極管的結(jié)電容表征IGBT內(nèi)部的壓控寄生電容，用IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)與測(cè)量電路相結(jié)合的方式提取了模型參數(shù)，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了模型的正確性。用建立的模型分析器件外特性對(duì)IGBT模型參數(shù)變化的敏感程度，明確了器

4、件經(jīng)受熱沖擊過(guò)程中能顯著影響器件動(dòng)態(tài)波形的主導(dǎo)參數(shù)；
　　 ③ 深入分析平穩(wěn)工況下IGBT的動(dòng)態(tài)特性，采用未塑封的2MBI150U4H-170型IGBT，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了器件在非平穩(wěn)工況下鍵合線剝落后器件動(dòng)態(tài)波形的變化；分析了兩種工況下器件動(dòng)態(tài)特性差異的可能原因，在此基礎(chǔ)上，提出將柵極電壓米勒平臺(tái)的退化程度作為器件的可靠性狀態(tài)的一個(gè)劃分依據(jù)，并以此為基礎(chǔ)建立了IGBT器件的可靠性模型；
　　 ④ 從器件可靠性的基礎(chǔ)參數(shù)——壽命

5、著手，建立了IGBT的老化失效風(fēng)險(xiǎn)的概率評(píng)估模型，用來(lái)計(jì)算老化失效數(shù)據(jù)有限的情況下IGBT的平均壽命、老化失效概率和因老化引起的不可用率，改進(jìn)設(shè)計(jì)階段器件可靠性的評(píng)價(jià)手段。該模型由IGBT老化失效概率的正態(tài)分布特性推導(dǎo)而來(lái)，正態(tài)分布的參數(shù)采用最小二乘法估計(jì)。與傳統(tǒng)的樣本均值方法相比，設(shè)計(jì)的參數(shù)估計(jì)方法不僅考慮了已退役的器件，還考慮了仍在服役的器件對(duì)平均壽命估計(jì)的影響，從理論上提高了參數(shù)估計(jì)結(jié)果的合理性。
　　 論文在IGBT器件