IGBT功率模塊的失效研究與鍵合線狀態(tài)監(jiān)測(cè).pdf

1、國(guó)家能源戰(zhàn)略的實(shí)施，促使多種新能源技術(shù)蓬勃發(fā)展，如電動(dòng)汽車(chē)、列車(chē)牽引、航空電源、太陽(yáng)能發(fā)電等，其中核心技術(shù)就是能量轉(zhuǎn)換，而通常電力電子裝置則是實(shí)現(xiàn)這些新技術(shù)的載體，因此裝置的可靠性至關(guān)重要，因?yàn)橐坏┫到y(tǒng)發(fā)生故障，且未能快速有效地監(jiān)測(cè)故障并采取措施，便可能會(huì)造成重大損失。相關(guān)統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，影響電力電子系統(tǒng)可靠性的最主要組成部分之一就是功率器件，所以關(guān)于功率器件可靠性的研究課題已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外多以基于模型的仿真分析方法

2、進(jìn)行失效研究和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。本課題則以典型IGBT功率模塊為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)從模塊結(jié)構(gòu)、溫度特性、器件端部外特性以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行研究，具體內(nèi)容如下：
　?、籴槍?duì)典型IGBT功率模塊，從機(jī)械結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)入手，重點(diǎn)以熱損傷理論分析模塊的失效機(jī)理，主要包括：焊料層損傷失效機(jī)理和鍵合線故障失效機(jī)理?；谑C(jī)理的分析，進(jìn)一步探究IGBT功率模塊的鍵合線故障，包括故障原因、故障特征、故障影響和鍵合線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
　?、跍囟仁窃斐涉I合

3、線脫落故障的主要原因，也是鍵合線故障后最明顯的故障特征，因此本研究通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，全面分析溫度、穩(wěn)態(tài)熱阻抗與鍵合線狀態(tài)的關(guān)系。
　?、弁ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)IGBT功率模塊的鍵合線狀態(tài)可以有效提高電力電子系統(tǒng)的可靠性，因此論文重點(diǎn)抓住鍵合線故障對(duì)模塊內(nèi)部寄生電容Cge和Cgc的影響，研究得出器件端部外特性Vge與鍵合線狀態(tài)的關(guān)系，最后提出基于溫度和Vge的鍵合線狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案。
　　研究表明：芯片表面結(jié)溫和芯片中心對(duì)應(yīng)于底板的溫度均與鍵合線脫

4、落根數(shù)落呈線性關(guān)系；鍵合線脫落故障不會(huì)造成模塊的層結(jié)構(gòu)損傷而使芯片到底板的穩(wěn)態(tài)熱阻抗增大。本文所提出的基于溫度和Vge的鍵合線狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案盡管精確度仍需提高，但是該方案無(wú)需拆封IGBT模塊、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、成本低，具有較高的工程適用性。
　　本文在理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面都做了研究，尤其是通過(guò)大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出的鍵合線故障特征對(duì)于后續(xù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)所用到的實(shí)驗(yàn)原理和研究方法對(duì)于研究其他功率器件