基于端口電特性的IGBT模塊可靠性研究.pdf

1、自從工業(yè)革命發(fā)生以來(lái)，人類(lèi)科技呈爆炸式發(fā)展，致使以煤和石油為主的化石燃料的消耗逐年增加，也因此導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)的環(huán)境問(wèn)題。因此，在最近幾十年，以獲得清潔能源和保護(hù)環(huán)境為宗旨，可再生綠色能源革命已在許多國(guó)家被喚醒和引起足夠的重視，尤其是風(fēng)力發(fā)電。然而，據(jù)工業(yè)調(diào)查結(jié)果顯示，作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，功率變流器是最容易失效的部分之一，其高失效率在很大程度上是由于功率器件失效所導(dǎo)致。因此亟需提出可提高功率器件可靠性的策略。
　　功率器件

2、的失效在很大程度上是由于長(zhǎng)期功率波動(dòng)引起熱應(yīng)力與電應(yīng)力，進(jìn)而在模塊內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，致使功率器件封裝失效?；诖?，目前研究功率器件可靠性的方法主要可分為三類(lèi)：1）根據(jù)功率器件老化失效因子或者物理特性建立壽命預(yù)測(cè)模型，在特定應(yīng)用環(huán)境下，對(duì)其壽命進(jìn)行評(píng)估；2）結(jié)溫波動(dòng)是致使功率器件老化失效最關(guān)鍵的因素，因此在功率器件運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)改進(jìn)變流器控制算法，控制結(jié)溫在安全范圍內(nèi)波動(dòng)，基于此類(lèi)熱管理的方法可以延長(zhǎng)功率器件的工作壽命；3）在功率器件運(yùn)

3、行過(guò)程中，對(duì)其老化特征量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可對(duì)其老化失效時(shí)間進(jìn)行提前預(yù)警，防止導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)的失效，提高變流器系統(tǒng)的可靠性。在上述三類(lèi)方法的基礎(chǔ)上，本文著重于研究基于IGBT模塊端口電特性的提高可靠性的方法。本文主要工作如下：
　　在建立壽命預(yù)測(cè)模型和研究熱管理策略時(shí)，實(shí)時(shí)獲得準(zhǔn)確結(jié)溫信息是其關(guān)鍵一步，甚至對(duì)于一些狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，結(jié)溫信息也是非常重要的。因此本文在現(xiàn)有結(jié)溫測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，提出了基于端口電特性的不受模塊老化影響、易于實(shí)時(shí)測(cè)量

4、的新溫敏電參數(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)結(jié)溫進(jìn)行更為可靠、更為準(zhǔn)確的估計(jì)。首先，本文提出了基于柵極電壓開(kāi)通密勒平臺(tái)和柵-主發(fā)射極電壓關(guān)斷反向跳變峰值兩種溫敏電參數(shù)，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出所提溫敏電參數(shù)與結(jié)溫的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并在變流器中與紅外測(cè)溫儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所提方法的可行性和準(zhǔn)確性，最后對(duì)比分析了所提溫敏電參數(shù)與其他溫敏電參數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。研究結(jié)果表明：所提溫敏電參數(shù)具有很好的溫敏感度和溫線性度，能夠在變流器運(yùn)行中實(shí)時(shí)測(cè)量獲得，且受鍵合線脫落

5、的影響非常小。
　　目前，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究中使用的老化特征量多為IGBT模塊的電信號(hào)，而大多數(shù)電信號(hào)受模塊老化影響的同時(shí)，也會(huì)因結(jié)溫的變化而變化，并且對(duì)鍵合線脫落的敏感度不高。這就使得在變流器運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的使用造成了一定的局限性。為了解決此問(wèn)題，本文根據(jù)IGBT模塊的電信號(hào)特性，提出了不受結(jié)溫波動(dòng)影響的老化特征量，使得在監(jiān)測(cè)IGBT模塊健康狀態(tài)過(guò)程中，不需要考慮結(jié)溫波動(dòng)的影響。首先，本文提出了一種根據(jù)模塊關(guān)斷特性計(jì)

6、算鍵合線等效電阻的方法，該方法可在一定溫度波動(dòng)范圍內(nèi)辨識(shí)出單根鍵合線的脫落。然后本文從理論上分析了IGBT模塊傳輸特性曲線與鍵合線脫落的關(guān)系，根據(jù)傳輸特性曲線提取出夸導(dǎo)值和一個(gè)交叉點(diǎn)，該交叉點(diǎn)為不同結(jié)溫下傳輸特性曲線的交叉點(diǎn)。設(shè)計(jì)了可在變流器停機(jī)時(shí)快速準(zhǔn)確測(cè)量傳輸特性曲線的電路，通過(guò)與數(shù)據(jù)手冊(cè)中傳輸特性曲線的對(duì)比，驗(yàn)證了所提測(cè)量電路的準(zhǔn)確性。最后在不同結(jié)溫、不同鍵合線剪斷根數(shù)情況下，對(duì)所提老化特征量進(jìn)行了全面測(cè)量。研究結(jié)果表明：在變流器