絕緣柵雙極型晶體管結(jié)溫測量方法的研究.pdf

1、結(jié)溫是影響功率變流裝置可靠性的關(guān)鍵參數(shù)之一，研究功率變流裝置中功率器件的結(jié)溫測量方法是確保功率變流裝置安全可靠運行和降低維護成本的重要舉措。近年來，隨著半導體制造工藝的進步和功率變流裝置應用領(lǐng)域的拓展，IGBT作為功率變流裝置中的核心元件被廣泛應用于風力發(fā)電、電力牽引和航空航天動力系統(tǒng)等領(lǐng)域。上述應用場合工況嚴峻，對IGBT的可靠性有很高的要求。研究表明，IGBT重復開通、關(guān)斷時，結(jié)溫劇烈波動，在熱應力沖擊的反復作用下將產(chǎn)生失效或疲勞效

2、應。由于其工作壽命與可靠性將影響到整個裝置或系統(tǒng)的正常運行，由此而使IGBT模塊可靠性問題的研究成為國內(nèi)外學者關(guān)注的熱點。結(jié)溫同IGBT模塊的使用壽命及可靠性密切相關(guān)，IGBT在承受持續(xù)的熱沖擊下由于結(jié)溫波動過大而引發(fā)器件老化失效成為制約其可靠運行的主要原因。因此，獲取既定工作條件下功率變流裝置中IGBT模塊的結(jié)溫狀況，找到一種切實可行的結(jié)溫測量方法，在器件故障失效前對器件結(jié)溫加以控制顯得極為重要。本文以IGBT為對象，研究一種能夠準確

3、預測IGBT模塊結(jié)溫的方法，并且考慮由于器件老化進程使得模塊內(nèi)相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化而給結(jié)溫測量帶來的誤差，以期為結(jié)溫控制和相關(guān)可靠性研究服務(wù)。
　　首先，準確分析IGBT模塊失效機理和熱特性對可靠性的影響是減少事故發(fā)生，提高安全性的基礎(chǔ)。為此，本文從IGBT的封裝結(jié)構(gòu)和熱傳遞分析入手，闡述了引發(fā)IGBT失效的因素。指出結(jié)溫劇烈波動是引發(fā)IGBT鍵合線脫落以及焊料層疲勞老化的最主要誘因。然后從芯片角度說明了溫度對IGBT可靠性的影響，完

4、成了IGBT溫敏參數(shù)法測結(jié)溫的參數(shù)選擇實驗，對比各參數(shù)優(yōu)缺點，確定以飽和壓降作為溫敏參數(shù)測量結(jié)溫。
　　其次，器件的老化衰退會對溫敏參數(shù)結(jié)溫測量法帶來一定的誤差，衰退老化所引起的模塊內(nèi)特性變化會影響原有測量方法準確性。為此，監(jiān)測老化進程中模塊各狀態(tài)量的變化情況，實現(xiàn)精確地結(jié)溫在線測量成為首要解決的任務(wù)。為獲取完整老化進程中各個狀態(tài)量的變化，故提出設(shè)計搭建IGBT加速老化實驗平臺，詳細介紹了實驗裝置以及實驗方法步驟，并完成了IGBT

5、模塊功率循環(huán)老化實驗，給出了模塊老化前后飽和壓降、柵極電壓和柵極電流的對比圖。實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)可以為IGBT結(jié)溫測量方法研究服務(wù)。
　　最后，本文在完成加速老化試驗的基礎(chǔ)上，選取可監(jiān)測的IGBT飽和壓降作為溫敏參數(shù)評估結(jié)溫，獲取了大電流與小電流結(jié)溫飽和壓降對應關(guān)系。分別考慮溫度與電流的影響，提出并構(gòu)建了基于飽和壓降的IGBT結(jié)溫預測模型，并對老化前后結(jié)溫預測模型進行了對比分析。該方法可以用于實現(xiàn)對老化進程中IGBT模塊的結(jié)溫在線評估