基于雜散參數(shù)辨識(shí)的IGBT模塊內(nèi)部缺陷診斷方法

周雒維 周生奇 孫鵬菊

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044）

1 引言

絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）兼?zhèn)潆娏w管 BJT和電力MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的通流能力、開(kāi)關(guān)速度和耐壓水平[1],在中小功率電力電子設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用，是最具有發(fā)展前景的關(guān)鍵電力電子器件之一。近年來(lái)，伴隨半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，IGBT的通流能力和耐壓水平有了很大的提高（6.5kV/3.6kA），其應(yīng)用領(lǐng)域和層次也得到相應(yīng)地拓展，目前，已成為新能源發(fā)電、機(jī)車(chē)牽引、電動(dòng)汽車(chē)、航空電源以及艦艇電力推進(jìn)等領(lǐng)域電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件[2-5]。但另一方面，應(yīng)用領(lǐng)域的拓展也為IGBT帶來(lái)新的挑戰(zhàn)：上述應(yīng)用場(chǎng)合不僅工況嚴(yán)酷，而且對(duì)電力電子設(shè)備的可靠性有很高的要求，而決定電力電子設(shè)備可靠性的關(guān)鍵元件是功率器件，即IGBT模塊，由此而使 IGBT模塊可靠性問(wèn)題的研究成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[6]。近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究人員對(duì) IGBT模塊可靠性問(wèn)題的研究成果大致可分為兩類(lèi)：首先是失效機(jī)理的研究，基本上明確了其主要的失效原因和模式，并通過(guò)改進(jìn)工藝和封裝設(shè)計(jì)，從制造的角度提高了 IGBT模塊的可靠性[7-13]；其次是運(yùn)行過(guò)程中，IGBT模塊可靠性衰退和壽命預(yù)測(cè)研究[14-16]，提出了一些評(píng)估 IGBT模塊可靠性衰退的方法并建立了相應(yīng)的壽命預(yù)測(cè)模型，在很大程度上促進(jìn)了 IGBT模塊運(yùn)行中可靠性衰退的研究。但是由于實(shí)際商業(yè)化的 IGBT模塊為了防潮、加強(qiáng)絕緣以及抗氧化等目的，普遍采用模塊形式密閉封裝，難以開(kāi)封和植入傳感器，造成與可靠性衰退相關(guān)信息的缺失。因此上述文獻(xiàn)提出的方法和壽命模型都存在一定的局限，如文獻(xiàn)[14]提出采用集射極飽和壓降的變化作為參數(shù)評(píng)估 IGBT可靠性退化程度，但集射極飽和壓降在很大程度上受結(jié)溫影響，且二者關(guān)系復(fù)雜。此外結(jié)溫又很難獲取，故難以修正實(shí)際測(cè)到的集射極飽和壓降，因此上述方法尚需進(jìn)一步完善。另外，與 IGBT可靠性研究相關(guān)的還有電力電子設(shè)備的故障診斷，即采取不同的方法識(shí)別設(shè)備中發(fā)生故障的器件，以防止事故的擴(kuò)大化[17-22]，屬于故障后診斷，也就是說(shuō)只有在電力電子設(shè)備中已有 IGBT模塊發(fā)生故障時(shí)，才可能有效。從維護(hù)的角度而言響應(yīng)有些滯后，故有必要研究識(shí)別 IGBT模塊早期內(nèi)部缺陷的方法，避免因其失效對(duì)電力電子設(shè)備造成的損壞。

IGBT模塊的失效，是其不斷地經(jīng)受電、熱沖擊和機(jī)械應(yīng)力累積作用后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化的緩慢過(guò)程，由此導(dǎo)致部分與結(jié)構(gòu)相關(guān)的雜散參數(shù)發(fā)生變化[15,23,24]。這為診斷 IGBT模塊的早期內(nèi)部缺陷提供了一種可能，即借助雜散參數(shù)的變化，逆向推斷 IGBT模塊是否存在缺陷。本文通過(guò)構(gòu)建包含雜散參數(shù)的 IGBT模塊門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路的電路模型，應(yīng)用最小二乘算法獲取門(mén)極回路雜散參數(shù)的變化，作為診斷 IGBT模塊是否存在缺陷的判據(jù)，與已有成果相比較，該方法的能夠在 IGBT模塊故障前，檢測(cè)出存在缺陷的 IGBT模塊，以避免突發(fā)失效造成的損壞，提高電力電子設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

2 包含IGBT模塊雜散參數(shù)的門(mén)極電路模型

2.1 IGBT模塊雜散參數(shù)

目前，商業(yè)化的 IGBT模塊的結(jié)構(gòu)和組成大致相同，主要包括：硅片、基板、底板、鍵合線、引線和端子等[25]，其雜散參數(shù)可分為兩部分：①是硅片內(nèi)部的雜散參數(shù)，由組成硅片的 IGBT原胞的結(jié)構(gòu)確定，一般而言IGBT可被視作由MOSFET驅(qū)動(dòng)BJT而構(gòu)成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。圖1和圖2分別給出PT（punch through）型IGBT原胞的結(jié)構(gòu)和與之對(duì)應(yīng)的帶有雜散參數(shù)的等效電路[26]。從圖2可以看出雜散參數(shù)主要由電容和電阻構(gòu)成，其中與MOSFET相關(guān)的雜散參數(shù)包括：CM表示門(mén)-射極之間的金屬化電容，COXS表示門(mén)-射極之間的氧化電容，COXD表示門(mén)-漏極之間的交疊氧化電容，CGDJ表示門(mén)-漏極之間的交疊耗盡層電容；CDSJ表示源-漏極之間的交疊耗盡層電容，與 BJT相關(guān)的雜散參數(shù)包括：CCER表示射-集電極之間的重分布電容，CEBD與CEBJ分別表示基-集電極之間的擴(kuò)散電容與耗散電容，RB表示基極電導(dǎo)調(diào)制電阻。部分雜散參數(shù)在IGBT模塊老化過(guò)程中，會(huì)伴隨硅材料性能的劣化而發(fā)生改變；②是由模塊封裝帶來(lái)的雜散參數(shù)，以雜散電感為主，主要由其組成元素——硅片、鍵合線及引線的數(shù)量、布局等因素決定[27]。圖3示出模塊2MBI150U4H—170的內(nèi)部布局和雜散電感，從圖中可以看出，模塊是由上、下兩個(gè) IGBT器件構(gòu)成的半橋結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)IGBT器件有2片硅片并聯(lián)構(gòu)成，而每個(gè)硅片的發(fā)射極通過(guò)6根鋁鍵合線與外部端子的引線相連接。盡管鋁鍵合線和引線的雜散電感在數(shù)值都比較小，通常是納亨級(jí)，但由于其在IGBT模塊的結(jié)構(gòu)組成中起到聯(lián)結(jié)作用，因此對(duì)IGBT特性的影響不容忽視，例如聯(lián)結(jié)硅片和引線的鍵合線斷裂一定數(shù)量后可導(dǎo)致布局發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化。

圖1 IGBT原胞的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of IGBT cell

圖2 IGBT原胞的等效電路Fig.2 The equivalent circuit of IGBT cell

圖3 帶雜散電感的IGBT模塊等效電路Fig.3 The equivalent circuit of IGBT module with parasitic inductance

2.2 IGBT模塊門(mén)極電路模型

電力電子設(shè)備中 IGBT模塊的雜散參數(shù)同主回路參數(shù)相比較，在數(shù)值上相差巨大。若從主電路特性辨識(shí)雜散參數(shù)，則有可能由于測(cè)量誤差等因素將雜散參數(shù)淹沒(méi)，但驅(qū)動(dòng)電路不同，在門(mén)極端子測(cè)得的端口特性主要由模塊門(mén)極回路的雜散參數(shù)決定，且屬于弱電信號(hào)，容易實(shí)現(xiàn)辨識(shí)，因此本文選擇門(mén)極回路雜散參數(shù)作為識(shí)別對(duì)象，并通過(guò)門(mén)極回路雜散參數(shù)的變化診斷模塊是否存在缺陷。但門(mén)極回路中部分雜散參數(shù)具有非線性特性，由圖2和圖3可知，構(gòu)成門(mén)極回路的雜散參數(shù)如圖4中Ⅰ、Ⅱ所示，其中涉及到的門(mén)-集電極反饋電容 CGC的組成元素CGDJ具有很強(qiáng)的非線性，會(huì)隨耗盡層寬度即外加電壓的大小而變化，其表達(dá)式為[28,29]

式中，AGD為IGBT中MOFSET部分門(mén)-漏極之間的交疊面積；εSi為硅的介電常數(shù)；q為電子電荷量；NB為基區(qū)參雜濃度； VGE(th)為 IGBT門(mén)極閾值電壓。這在一定程度上干擾了參數(shù)辨識(shí)的結(jié)果，因此在進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)前，必須對(duì)門(mén)極回路參數(shù)做分時(shí)線性化處理，以消除非線性因素的影響。從圖 5和圖6所示的IGBT模塊開(kāi)通和關(guān)斷的暫態(tài)過(guò)程來(lái)看，因存在換流過(guò)程，t0～t1時(shí)段 VCE保持不同的恒定值，其中 t0為門(mén)極信號(hào)觸發(fā)時(shí)刻，t1為集射極電壓開(kāi)始下降時(shí)刻，由式（1）可知，在此時(shí)段 CGDJ的值將保持不變，所以門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路可由圖4簡(jiǎn)化為圖7所示的二階電路，圖中R，L為電路的等效電阻和電感，RG、LG、CG為IGBT模塊內(nèi)部門(mén)極回路的等效雜散電阻、電感和電容，V1、V2為驅(qū)動(dòng)電壓，S1為控制信號(hào)。故該時(shí)段門(mén)極電路的行為可用定常微分方程來(lái)表示，且系數(shù)容易通過(guò)觀測(cè)量和最小二乘算法辨識(shí)出來(lái)，而定常微分方程的系數(shù)同雜散參數(shù)之間是比較簡(jiǎn)單的代數(shù)關(guān)系，可以很容易地由此解出雜散參數(shù)，故而是可行的。但是，若要最大程度地避免主電路雜散參數(shù)的影響，取得更為精確地辨識(shí)結(jié)果，需進(jìn)一步縮短 t0～t1時(shí)段的長(zhǎng)度，即將t1改為門(mén)極電壓到達(dá)閾值電壓的時(shí)刻，此時(shí) IGBT模塊的過(guò)渡過(guò)程尚未開(kāi)始，因此主電路雜散參數(shù)對(duì)門(mén)極電路的影響可以忽略。然而，由于實(shí)際采樣速率的限制，若t0～t1時(shí)段過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量不足，影響參數(shù)辨識(shí)結(jié)果。

圖4 IGBT模塊門(mén)極回路Fig.4 The gate loop of IGBT module

圖5 IGBT模塊開(kāi)通波形Fig.5 The turn on waveforms of IGBT module

圖6 IGBT模塊關(guān)斷波形Fig.6 The turn off waveforms of IGBT module

圖7 t0～t1時(shí)段門(mén)極等效電路Fig.7 The gate equivalent circuit during t0～t1

考察圖7所示的電路，門(mén)極電壓和電流比較容易測(cè)量，可作為參數(shù)辨識(shí)的觀測(cè)量，二者之間的關(guān)系可用式（2）線性微分方程描述。此外，以門(mén)極電壓和電流為觀測(cè)量，可在一定程度上排除不同門(mén)極驅(qū)動(dòng)情況的影響，在不同的驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電阻及線路雜散電感下，門(mén)極電壓和電流都會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化。但是，由式（2）可知，二者之間的關(guān)系由IGBT模塊內(nèi)部門(mén)極回路的雜散參數(shù) RG、LG和 CG決定，故從理論上講，門(mén)極驅(qū)動(dòng)的改變不會(huì)影響辨識(shí)結(jié)果。然而，如上所述由于實(shí)際的采樣速率及采樣精度的限制，若門(mén)極電阻過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致 t0～t1時(shí)段過(guò)短；而門(mén)極電壓的大小也會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的精度。因此，需根據(jù)具體 IGBT模塊的開(kāi)關(guān)特性和主電路雜散參數(shù)，選擇合適的門(mén)極驅(qū)動(dòng)。

式中，vg、ig分別為在門(mén)極端子處的電壓和電流。

3 IGBT模塊失效機(jī)理和對(duì)門(mén)極電路影響

3.1 IGBT模塊的失效機(jī)理

IGBT模塊的失效大致可分為硅片和封裝兩種失效模式。硅片失效是由高溫和強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致的熱沖擊、絕緣擊穿、熱載流子注入及電子遷移等因素導(dǎo)致的，而封裝失效是由 IGBT模塊組成材料的熱膨脹系數(shù)不一致造成的。通常，IGBT模塊由多層材料構(gòu)成[25]，而各層材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，如圖 8所示。IGBT模塊的失效表現(xiàn)為金屬重構(gòu)、鋁鍵合線斷裂及焊接層開(kāi)裂等，其中鋁鍵合線斷裂和焊料層開(kāi)裂是兩種最為主要的失效原因[10,14]。

圖8 IGBT模塊剖面示意圖Fig.8 The cross-section of IGBT module

3.2 對(duì)門(mén)極雜散參數(shù)的影響

IGBT模塊的失效是不斷經(jīng)受電、熱沖擊和機(jī)械應(yīng)力累積作用的緩慢過(guò)程，在完全失效之前，已有缺陷存在，且影響到門(mén)極雜散參數(shù)。首先，基板開(kāi)裂導(dǎo)致熱阻增大，結(jié)溫升高，激發(fā)熱載流子損傷門(mén)-射極之間的 SiO2層，從而改變門(mén)極等效電容CG[23]；其次，鋁鍵合線斷裂，不僅影響門(mén)極等效雜散電阻 RG和電感 LG，而且可能會(huì)影響到門(mén)極等效雜散電容CG。從圖3可以看出：若在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，因無(wú)法避免的熱沖擊，例如功率波動(dòng)、短路等導(dǎo)致某中一個(gè)硅片的射極的鋁鍵合線全部斷裂，則該硅片失效，盡管此時(shí)模塊仍然可以運(yùn)行，且外特性幾乎不變，但門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路的參數(shù)卻發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，如圖9和圖10所示。

圖9 IGBT單管雜散元件構(gòu)成的電路Fig.9 The equivalent circuit of IGBT stray elements

圖10 單硅片失效后IGBT單管雜散元件構(gòu)成的電路Fig.10 The equivalent circuit of IGBT stray elements after one IGBT die failed

圖中，LGX、RGX分別表示門(mén)極鋁鍵合線的雜散電感和電阻，LWX、RWX表示發(fā)射極鋁鍵合線的等效雜散電感和電阻，LEK、REK表示射極輔助引線的雜散電感和電阻，CGEX表示門(mén)-射極的等效電容，CGCX表示門(mén)-集極的等效電容，CCEX表示集-射極的等效電容，符號(hào)中的X表示不同的硅片。

總之，IGBT模塊門(mén)極回路雜散參數(shù)與缺陷之間存在確定的關(guān)聯(lián)，雜散參數(shù)的變化能夠在一定程度上反映模塊是否存在缺陷，以及缺陷的性質(zhì)和嚴(yán)重性。

4 參數(shù)辨識(shí)

本文所提出的應(yīng)用最小二乘法的 IGBT模塊門(mén)極回路雜散參數(shù)辨識(shí)，建立在式（2）描述的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，同時(shí)為避免反饋電容的影響[29]，選擇開(kāi)通時(shí)t0～t1時(shí)段內(nèi)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行行辨識(shí)。首先，將式（2）轉(zhuǎn)化為差分方程為

式中，T為采樣時(shí)間。

設(shè)參數(shù)矢量θ 為

式中，N為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

于是，參數(shù)矢量θ 的最小二乘估計(jì)為

最后通過(guò)θ 與雜散參數(shù)之間的關(guān)系即可獲得所要辨識(shí)的RG、LG和CG。

5 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證上面所提出的方法，本文采用圖11所示的實(shí)驗(yàn)電路，其中樣品是富士公司提供的特殊開(kāi)封模塊，型號(hào)為2MBI150U4H—170，目的是對(duì)模塊內(nèi)部進(jìn)行人為的破壞，制造特定的缺陷，即通過(guò)逐根剪斷聯(lián)結(jié)模塊下管硅片1的6根鋁鍵合線，模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)中最易出現(xiàn)的鋁鍵合線斷裂現(xiàn)象，當(dāng)然這種逐根剪斷鋁鍵合線的方式可能與鋁鍵合線實(shí)際的斷裂情況有出入。但這里僅用來(lái)驗(yàn)證出現(xiàn)鋁鍵合線斷裂缺陷后，利用本文提出的參數(shù)辨識(shí)方法是否能夠診斷出來(lái)；另外，盡管 IGBT模塊內(nèi)部門(mén)極回路的雜散參數(shù)受結(jié)溫波動(dòng)的影響不顯著

[30]，但為提高辨識(shí)結(jié)果的精度，實(shí)驗(yàn)中仍然選擇運(yùn)行一定時(shí)間直至結(jié)溫穩(wěn)定后，通過(guò)多次重復(fù)測(cè)量取平均的方法，消除環(huán)境和儀器帶來(lái)的誤差。

圖11 實(shí)驗(yàn)電路示意圖Fig.11 Experimental set up circuit

實(shí)驗(yàn)電路中，輸入電壓：DC300V，負(fù)載：3mH、1Ω，開(kāi)關(guān)頻率：10kHz。選擇鋁鍵合線未斷裂、3根斷裂和6根斷裂時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行辨識(shí)，測(cè)得的門(mén)極電壓、電流波形如圖12所示，從圖中可以地看出：有3根鋁鍵合線斷裂時(shí)，對(duì)門(mén)極充電過(guò)程的影響尚不能直觀地觀察出來(lái)；但有6根鋁鍵合線斷裂即發(fā)生硅片失效時(shí)，充電電流在初始階段的峰值發(fā)生了明顯的變化，這主要是由于門(mén)-射極等效電容發(fā)生了顯著變化。為減少計(jì)算時(shí)間，在最小二乘法參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中選取t0～t1時(shí)段內(nèi)，t0～ t1′的200個(gè)數(shù)據(jù)作為觀測(cè)量，t0～ t1′波形比較如圖13所示。將觀測(cè)量即 t0～ t1′ 時(shí)段門(mén)極電壓、電流數(shù)據(jù)代入式（6）和式（7），所得辨識(shí)結(jié)果見(jiàn)下表。

表 門(mén)極雜散參數(shù)估計(jì)結(jié)果Tab. The results of stray parameter identification

圖12 門(mén)極電壓電流波形Fig.12 Voltage and current waveforms of gate

圖13 t0 ～ t1′ 時(shí)段詳細(xì)波形Fig.13 Detail waveforms during t0 ～t1′

通過(guò)前表可以看出：當(dāng)鋁鍵合線斷裂3根時(shí)，僅影響門(mén)極回路的雜散電阻和雜散電感，而雜散電容幾乎不變；但斷裂6根時(shí)，模塊下管硅片1失效，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，雜散電阻、雜散電感和雜散電容同時(shí)發(fā)生了變化，這與理論定性分析相吻合，由此可知本文所提出方法的診斷結(jié)果是可信的。

6 結(jié)論

本文提出一種基于雜散參數(shù)識(shí)別的 IGBT模塊早期缺陷的診斷方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明了該方法的正確性。該方法能夠有效診斷出 IGBT模塊內(nèi)部鍵合線的斷裂和硅片的失效，此時(shí) IGBT模塊仍可運(yùn)行，采用傳統(tǒng)的故障診斷方法無(wú)法檢出，故該方法的精度相對(duì)有了很大的提高，可為運(yùn)行人員贏得寬裕的維護(hù)時(shí)間，及時(shí)替換有缺陷的 IGBT模塊，避免模塊故障對(duì)裝置造成的危害。另外由于目前商業(yè)化的模塊具有大致相同的封裝結(jié)構(gòu)和缺陷形式，故該方法具有普遍應(yīng)用價(jià)值。但是，該方法也存在一定的不足：首先，該方法適用于分析老化因素對(duì)IGBT模塊的影響，屬于可靠性范疇，可以降低IGBT模塊發(fā)生故障的潛在風(fēng)險(xiǎn)，不能用于 IGBT模塊的保護(hù)，來(lái)防止瞬時(shí)故障的發(fā)生，因?yàn)榇祟?lèi)故障可能導(dǎo)致 IGBT模塊的永久失效，而不是局部損傷，對(duì)已完全失效的 IGBT模塊進(jìn)行缺陷診斷是沒(méi)有意義的；其次，數(shù)據(jù)采集速度和精度要求高。另外，可將門(mén)極電壓和電流的采集功能集成到 IGBT模塊驅(qū)動(dòng)板的高壓側(cè)，由驅(qū)動(dòng)板的隔離電源為其提供工作電壓，并通過(guò)光纖鏈路實(shí)現(xiàn)與主控制器的指令與數(shù)據(jù)通信，及電壓隔離，這是未來(lái)向在線診斷發(fā)展的一種方案，尚需進(jìn)一步研究。

致謝：本文實(shí)驗(yàn)所采用的特殊 IGBT模塊樣品由富士電機(jī)（中國(guó)香港）有限公司提供，在此表示感謝！

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