小波相關(guān)分析在IGBT模塊缺陷診斷中的應(yīng)用

周生奇， 周雒維， 孫鵬菊， 李亞萍

(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)

0 引言

絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor－IGBT)是復(fù)合型電力電子器件，集成了電力晶體管BJT和電力MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，在通流能力、耐壓水平、開關(guān)速度等方面具有顯著的比較優(yōu)勢(shì)，且驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，是目前發(fā)展前景最好的關(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)步和變流技術(shù)的完善，IGBT的通流能力和耐壓水平有了很大的提高(6.5 kV/3.6kA)，應(yīng)用領(lǐng)域和層次也得到相應(yīng)地拓展，逐漸成為一些新領(lǐng)域中，比如風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、艦船綜合電力推進(jìn)等，電力電子設(shè)備的主導(dǎo)功率器件［1－3］。不過(guò)，新的應(yīng)用也給IGBT帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［2，4］:以風(fēng)力發(fā)電為例，風(fēng)能變化快、預(yù)測(cè)困難，輸出功率波動(dòng)劇烈，導(dǎo)致IGBT持續(xù)經(jīng)受極大的熱沖擊，加劇了老化進(jìn)程，顯著降低了運(yùn)行可靠性，致使在常規(guī)應(yīng)用中原本可靠的IGBT變得極其脆弱，成為了制約風(fēng)力發(fā)電的瓶頸因素之一，逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)使IGBT可靠性問(wèn)題的關(guān)注［5］。近20年來(lái)，有大量的關(guān)于IGBT模塊可靠性問(wèn)題的成果報(bào)道，大致可歸納為兩類:首先是失效機(jī)理研究，明確主要的失效原因和模式［6－8］;其次是運(yùn)行過(guò)程中IGBT故障診斷［9－13］以及可靠性衰退程度評(píng)估［14－16］，提出一些壽命預(yù)測(cè)模型，在很大程度上促進(jìn)了IGBT模塊運(yùn)行中可靠性的研究，但是由于商業(yè)化IGBT多以模塊的形式密閉封裝，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，例如文獻(xiàn)［14］提出以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，而結(jié)溫又很難獲取，因此，文獻(xiàn)［14］提出的方法尚需進(jìn)一步完善。

IGBT模塊的疲勞失效是依賴于時(shí)間的隨機(jī)損傷過(guò)程［17］。文獻(xiàn)［6］的研究顯示，IGBT模塊在故障前，由于不斷地經(jīng)受電、熱沖擊累積作用，內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)某些損傷，導(dǎo)致了鋁鍵合線斷裂等缺陷的發(fā)生，在一定程度上降低了IGBT模塊的性能，相應(yīng)地增加了IGBT模塊故障的風(fēng)險(xiǎn)。但此時(shí)IGBT模塊仍可以運(yùn)行，尚不具備IGBT模塊故障后的特征，現(xiàn)有的故障診斷方法無(wú)法檢測(cè)。因此，研究IGBT模塊缺陷診斷方法，即可為IGBT模塊的健康評(píng)估提供必要的信息，也可在故障前替換存在缺陷的IGBT模塊，有效降低電力電子裝置的故障損失和維護(hù)成本。

此外，由疲勞損傷導(dǎo)致的缺陷還會(huì)影響到IGBT模塊內(nèi)部門極寄生元件的參數(shù)，反映到外部端子上就是，門極電壓的暫態(tài)過(guò)程在缺陷前后發(fā)生相應(yīng)的變化，這為逆向定性判斷IGBT模塊是否存在缺陷提供了一種可能，即通過(guò)辨識(shí)門極端子處電壓波形的變化，來(lái)突破IGBT模塊封裝的限制，間接診斷IGBT模塊內(nèi)部是否存在缺陷。對(duì)具體的驅(qū)動(dòng)電路而言，除IGBT模塊內(nèi)部門極寄生元件之外的其他元件的參數(shù)都是確定的，且可視為時(shí)不變的，門極電壓的變化僅與IGBT模塊內(nèi)部門極寄生元件有關(guān)。不過(guò)，采集門極電壓可能會(huì)受到一些不確定因素的影響，比如環(huán)境溫度和電磁干擾等，因此，本文采用小波分析了IGBT模塊門極電壓缺陷前后的變化，并引進(jìn)小波相關(guān)系數(shù)，通過(guò)其數(shù)值變化定性診斷IGBT模塊的缺陷，目的是利用小波變換所具有的較好的消噪能力和較高的計(jì)算精確度，提高辨識(shí)的精確度［18］。

1 IGBT模塊缺陷及影響

1.1 IGBT模塊缺陷分析

缺陷是疲勞損傷的直接結(jié)果，其產(chǎn)生和演化與IGBT模塊的失效機(jī)理密切相關(guān)。IGBT模塊的失效主要?dú)w因于運(yùn)行中經(jīng)歷的熱、電應(yīng)力［6］，大致分為內(nèi)部和外部?jī)深惸Ｊ?。其中，?nèi)部失效與IGBT模塊的半導(dǎo)體物理性質(zhì)有關(guān)，包括絕緣老化、熱載流子注入等，主要是由靜電損傷，強(qiáng)電場(chǎng)和高溫所致;而外部失效與IGBT模塊的封裝有關(guān)，包括觸點(diǎn)遷移、鋁鍵合線脫落、焊接層開裂等，主要由結(jié)溫波動(dòng)和材料熱膨脹系數(shù)不一致所致。目前，大功率 IGBT多以模塊的形式封裝，內(nèi)部器件的結(jié)構(gòu)和組成材料大致相同，包括:鋁鍵合線、硅片、基板和底板等，如圖1所示。其主要組成材料的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)存在很大差異，如鋁:22 ppm/℃;硅:3 ppm/℃;基板(Al2O3或 AlN):7 或4 ppm/℃;底板(Cu或 AlSiC):17或8 ppm/℃。實(shí)際的IGBT模塊是非理想元件，存在固有的耗散功率，因此在運(yùn)行過(guò)程中，除了過(guò)電壓、過(guò)電流所導(dǎo)致的短時(shí)熱應(yīng)力集中之外，在正常工作條件下，負(fù)載和環(huán)境溫度也是隨機(jī)變化的，因此IGBT模塊的結(jié)溫波動(dòng)是無(wú)法避免的，尤其是在風(fēng)電等間歇性運(yùn)行工況［4］，IGBT模塊會(huì)持續(xù)經(jīng)歷劇烈地?zé)釠_擊，將在鋁鍵合線與硅片結(jié)合處和焊料層產(chǎn)生剪切應(yīng)力累積，致使鋁鍵合線和焊料層的老化，產(chǎn)生鋁鍵合線斷裂和焊料層開裂兩種主要缺陷模式［14］。

此外，對(duì)于大容量IGBT模塊而言，還存在由于分流不均導(dǎo)致的失效問(wèn)題。由于單位面積硅片通流能力的限制，模塊內(nèi)部多硅片并聯(lián)模式被廣泛采用［6］，以實(shí)現(xiàn)通流能力的提高。但是，這些硅片的布局和引線雜散電感會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)分流不均［19］，容量越大，硅片數(shù)量越多，硅片間電流不平衡情況愈嚴(yán)重，致使部分硅片因老化進(jìn)程加快而提前失效。盡管，單個(gè)或部分硅片失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)模塊瞬時(shí)擊穿［20］，但會(huì)造成連鎖過(guò)流效應(yīng)，影響IGBT模塊的可靠運(yùn)行。

圖1 IGBT模塊剖面圖Fig.1 Cross section of an IGBT module

1.2 缺陷對(duì)門極電路元件參數(shù)的影響

缺陷對(duì)IGBT模塊門極電路參數(shù)的影響，涉及從門極端子G看去，模塊內(nèi)部的一些寄生元件，如圖2所示，其中LGT、RGT分別表示門極端子引線的寄生電感和電阻;LGW、RGW分別表示門極鋁鍵合線的寄生電感和電阻;LEW、REW分別表示發(fā)射極鋁鍵合線的寄生電感和電阻;LET、RET分別表示發(fā)射極端子引線的寄生電感和電阻;LCT、RCT分別表示集電極鋁端子引線的寄生電感和電阻;CGE表示門—射極等效電容，CGC表示門—集極等效電容，CCE表示集—射極等效電容，其中的寄生參數(shù)LCT、RCT及CCE與門極電路無(wú)關(guān)［21］。

圖2 IGBT模塊電路示意Fig.2 Equivalent circuit of an IGBT module

在IGBT模塊的缺陷中，焊料層開裂會(huì)減少有效導(dǎo)熱面積，導(dǎo)致IGBT模塊結(jié)溫升高［16］，而激發(fā)熱載流子，同強(qiáng)電場(chǎng)應(yīng)力損傷機(jī)理相同，會(huì)影響門—射極之間的 SiO2絕緣層，改變門極結(jié)電容［22－23］;鋁鍵合線脫落除了很顯然地影響門極寄生電感和寄生電阻參數(shù)外［19，24］，還有可能影響 IGBT 模塊內(nèi)部的整體布局，從而波及到門極電容。如圖2所示的半橋結(jié)構(gòu)IGBT模塊中，每個(gè)IGBT器件都有兩對(duì)IGBTFWD硅片并聯(lián)構(gòu)成。若在熱沖擊累積作用下，兩并聯(lián)IGBT硅片中一個(gè)硅片的聯(lián)結(jié)鋁鍵合線全部斷裂，則該IGBT硅片失效，將會(huì)改變IGBT模塊的布局和門極結(jié)電容的構(gòu)成及大小。

2 小波分析及相關(guān)性度量

2.1 小波分析

小波分析(wavelet analysis)是序列的時(shí)頻綜合表征，能夠滿足序列時(shí)頻多尺度描述需求，被廣泛用于信號(hào)處理［25－26］。序列c(t)的連續(xù)小波變換為

不過(guò)，由于計(jì)算機(jī)只能處理離散數(shù)據(jù)，因此實(shí)際連續(xù)小波變換的計(jì)算也是用離散數(shù)據(jù)進(jìn)行的，只是其縮放因子和平移因子都比較小而已，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量巨大等問(wèn)題。為此，通常將縮放因子和平移因子選擇為2j，j＞0倍數(shù)，與此對(duì)應(yīng)的小波基函數(shù)為

采用ψi，j(t)作為小波基函數(shù)的小波變換，稱之為雙尺度小波變換(dyadic wavelet transform)，是離散小波變換(discrete wavelet transform，DWT)中一種常見的形式。

2.2 相關(guān)性度量

通常，采用式(3)描述兩個(gè)序列x(t)與y(t)的整體相關(guān)程度，即

3 門極電壓序列相關(guān)性計(jì)算

根據(jù)式(3)所給出的序列互相關(guān)定義，知相關(guān)系數(shù)是從對(duì)立的角度描述序列x(t)與y(t)的差異，差異愈大相關(guān)系數(shù)愈小，只有完全一致時(shí)，互相關(guān)系數(shù)才為1。同樣，對(duì)于本文所采用的門極電壓序列而言，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路參數(shù)是確定的，若IGBT模塊無(wú)缺陷的情況下，在運(yùn)行的不同時(shí)期測(cè)得的門極電壓序列應(yīng)基本一致，表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性，而缺陷出現(xiàn)后，門極寄生參數(shù)改變，門極電壓序列隨之發(fā)生變化，前后序列出現(xiàn)差異，相關(guān)性下降，互相關(guān)系數(shù)減小。因此，可以利用門極電壓序列互相關(guān)系數(shù)的變化，定性判斷IGBT模塊是否出現(xiàn)缺陷。

但是，從圖2可以看出，在IGBT模塊門極電路的組成元素中，門—集電極之間的等效寄生電容CGC具有非線性特征［29］，隨集—射極電壓VCE的變化而具有不同的值，即

其中

式中:AGD為柵—集電極交疊面積;εSi為硅的介電常數(shù);q為電子電荷量;NB為基區(qū)摻雜濃度;VCE為集—射極電壓;VGE為門級(jí)電壓;VGE(th)為門級(jí)閾值電壓。為避免參數(shù)非線性因素的影響，需對(duì)對(duì)門極電路進(jìn)行了線性化處理，如圖3所示。在門極電壓VGE充電起始時(shí)刻t0至t1時(shí)刻集—射極電壓VCE開始下降期間，因換流過(guò)程的存在，VCE將保持母線電壓不變，門—集電極電容CGC≈CGDJ?CGE［30］，由 CGDJ的非線性造成的影響最小，因此，非常適合用來(lái)計(jì)算門極VGE序列的小波互相關(guān)系數(shù)，挖掘隱含其中的IGBT模塊缺陷信息。

圖3 IGBT模塊的開通波形Fig.3 Turn-on waves of an IGBT module

4 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證IGBT模塊缺陷對(duì)t0～t1時(shí)段門極電壓序列小波互相關(guān)系數(shù)的影響，搭建了圖4所示的Buck電路測(cè)試IGBT模塊門極電壓動(dòng)態(tài)特性的變化，其中樣品采用富士公司提供的特殊開封IGBT模塊:2MBI150U4H－170，在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中最易出現(xiàn)的鋁鍵合線斷裂缺陷。分兩步進(jìn)行，首先模擬部分鋁鍵合線斷裂(3根)，研究寄生電阻元件和寄生電感元件對(duì)門極電壓的影響;進(jìn)而模擬部分硅片失效，即連接IGBT器件中兩并聯(lián)硅片之一的鋁鍵合線全部斷裂(6根)，分析寄生電容對(duì)門極電壓的影響。

圖4 實(shí)驗(yàn)電路示意Fig.4 Experimental set up circuit

實(shí)驗(yàn)電路中，輸入電壓:DC200V，負(fù)載:3 mH、1 Ω，開關(guān)頻率:10 kHz;示波器TDS5014B的采樣頻率為:1.25 GHz，結(jié)果如圖5所示。從中可看出，部分鋁鍵合線斷裂時(shí)，門極電壓VGE的變化尚難以分辨;而部分硅片失效時(shí)，門極電壓VGE的變化非常明顯，這是因?yàn)樵贗GBT模塊門極寄生電阻為毫歐級(jí)，寄生電感為納亨級(jí)，寄生電容為納法級(jí)，因此寄生電容對(duì)門極電壓VGE波形變化起決定作用。根據(jù)圖3所示，分別提取圖5中不同缺陷狀態(tài)下IGBT模塊門極電壓在t0至t1時(shí)段序列，按照式(2)進(jìn)行離散小波分析，然后以缺陷前門極電壓序列為參考序列，采用式(4)計(jì)算門極電壓序列的小波互相關(guān)系數(shù)隨缺陷的變化，并給出了與常規(guī)方法所得結(jié)果的比較，如表1所示。從中可以看出:首先，隨之時(shí)間尺度的增加，采用小波互相關(guān)系數(shù)逐漸趨近于常規(guī)方法得到的結(jié)果，與小波分析理論吻合，表明采用小波互相關(guān)系數(shù)是可行;其次，可以清楚地看出小波分析在時(shí)間尺度方面靈活的優(yōu)勢(shì)，在短尺度下，部分硅片失效后，門極電壓序列的互相關(guān)系數(shù)降到了0.894 5，差異顯著地表征出來(lái)，而采用常規(guī)方法時(shí)，互相關(guān)系數(shù)為0.985 1，尚難以區(qū)別差異。

另外，由于大容量IGBT模塊內(nèi)部通常會(huì)有多達(dá)幾十個(gè)硅片并聯(lián)，單個(gè)或部分硅片失效時(shí)，門極電容的變化將不會(huì)十分顯著，加之現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾等不確定因素的影響，可能無(wú)法從門級(jí)電壓波形圖直接判斷IGBT內(nèi)部是否存在缺陷。此時(shí)，小波變換所具備的較高的計(jì)算精確度和較好的消噪能力將變得至關(guān)重要，是提高缺陷辨識(shí)精確度和確保診斷結(jié)果正確性的有效措施之一。

表1 門極電壓序列小波互相關(guān)系數(shù)Table 1 Wavelet cross-correlations of gate voltage

圖5 缺陷前后門極電壓的波形Fig.5 Gate voltages before and after detects

5 結(jié)論

本文提出一種基于門級(jí)電壓序列小波相關(guān)分析的IGBT模塊缺陷診斷方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方法的正確性。該方法能夠有效診斷出IGBT模塊內(nèi)部的缺陷，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，在一定程度上可以避免故障的發(fā)生，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。但是，另一方面，該方法也存在一定的不足，通過(guò)表1的結(jié)果可以看出，因受數(shù)據(jù)采集精確度等因素的影響，僅部分鋁鍵合線斷裂時(shí)，即便是在短時(shí)間尺度下，也難以判斷是否存在缺陷。因此，該方法尚需進(jìn)一步研究，以期盡早發(fā)現(xiàn)缺陷。

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