一種柔直換流閥用壓接型IGBT功率子模塊加速老化試驗方法

姬煜軻，侯婷，何智鵬，李巖

(直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網科學研究院)，廣州 510663)

0 引言

近年來，隨著國內柔性直流輸電工程傳輸容量、電壓等級不斷提升[1]，具有功率密度大、可靠性高、失效短路等諸多優(yōu)勢的壓接型絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)已逐步取代傳統(tǒng)的焊接型IGBT，成為滿足模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)發(fā)展需求的理想功率器件。早期工程中，IGBT應用設計工作往往集中于提升器件電應力、熱應力裕度，以達到減小器件突發(fā)失效風險的目的[2 - 3]。后續(xù)經過多個大型工程的反復迭代，IGBT應用關注重點逐漸轉變?yōu)镮GBT器件老化失效問題的研究。圍繞該問題展開的壓接型IGBT器件乃至整個換流閥的故障診斷、壽命預測及狀態(tài)監(jiān)測逐漸成為研究熱點。

傳統(tǒng)的焊接型IGBT的老化失效機理已基本明確，主要表現(xiàn)為封裝材料熱膨脹系數(shù)差異引起的鍵合線脫落、焊接層疲勞、金屬化重建等失效模式[4]。而壓接型IGBT內部各層組件需要同時承擔導通電流、芯片散熱和壓力傳遞功能，各層材料間的溫度變化會引起壓力變化，壓力變化又會引起接觸熱阻和接觸電阻的變化，進一步影響材料的散熱特性從而加劇溫度變化[5]。由于溫度場特性、電場特性以及結構場特性相互影響，導致老化失效機理十分復雜，相關研究仍處于前期的探索階段。

目前，關于壓接型IGBT老化失效機理的研究多集中于器件封裝特性分析[6]、失效過程多物理場耦合仿真[7 - 8]、老化試驗方法研究及其實施過程。多種方法相輔相成，經過多年積累，已取得不少研究成果[9]。壓接型IGBT老化試驗方法的通常做法是參考已有的焊接型IGBT相關標準對器件進行功率循環(huán)試驗。一般采用專用試驗設備在規(guī)定的標準工況下對單個器件開展試驗，試驗目的更傾向于可靠性驗證，滿足工程交付要求即可。值得一提的是，由于壓接型IGBT與焊接型IGBT封裝結構上存在差異，已有測試標準或方法可能并不完全滿足可靠性測試的相關需求。一些研究機構則開始嘗試改變試驗條件進行老化試驗機理的深入研究。Lukas等人對多只壓接型IGBT進行了不同循環(huán)周期和結溫波動條件下的功率循環(huán)試驗，總結出柵氧損壞和微燒蝕2種失效機理[10]。華北電力大學鄧二平等人重點針對焊接型IGBT和壓接型IGBT 2種封裝形式的失效模式進行了總結，并對不同的失效機理進行了深入分析，但關于2類器件的加速老化試驗并未進行針對性的論述[11]。F Wakeman等人對3只樣品進行了功率循環(huán)試驗，試驗過程中記錄的器件管壓降出現(xiàn)了增大趨勢，但試驗后失效和未失效樣品芯片表面均出現(xiàn)磨損引起的金屬化區(qū)域，研究結果沒有確定樣品的真實失效原因[12]。歸結起來，針對壓接型IGBT所開展的老化失效試驗方法及其試驗成果還很少，采取的試驗對象、試驗工況、試驗激勵還較單一，同時試驗過程所監(jiān)測的器件狀態(tài)信息有限，有必要尋求一種更為高效的試驗方法。

在上述背景下，本文以用于MMC的壓接型IGBT功率模塊為試驗對象，提出了多激勵類型多特征參數(shù)監(jiān)測的加速老化試驗方法。采用沖擊循環(huán)、恒定高溫、功率循環(huán)以及溫度循環(huán)4種類型激勵手段對試品進行試驗，全方位激發(fā)器件芯片及封裝老化過程。試驗過程綜合采用在線和周期性離散監(jiān)測方法監(jiān)測集射極飽和壓降、器件殼溫、結殼熱阻、門極開通電荷等多個可表征器件老化過程的特征參數(shù)，獲取更多器件試驗過程的狀態(tài)信息。該試驗方法為深入分析壓接型IGBT老化失效機理提供了一種有效手段，為后續(xù)對柔直換流閥及其功率器件開展狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命預測提供了研究基礎。

1 壓接型IGBT加速老化試驗方法

1.1 壓接型IGBT失效機理

目前主流的壓接型IGBT(press-pack IGBT,PPI)總體上可分為2類：以Toshiba(東芝)、WestCode(西瑪)、Infineon(英飛凌)公司為代表的硬壓接結構，和以ABB、株洲中車公司為代表的彈性壓接結構，如圖1所示[11]。

圖1 壓接型IGBT典型內部結構Fig.1 Typical internal structure of PPI

更進一步地，以硬壓接結構IGBT為例，其內部單芯片典型結構模型如圖2所示。整個結構依次由集電極、基板、集電極鉬片、芯片(含鋁層)、發(fā)射極鉬片、彈簧針、PCB板、凸臺以及發(fā)射極等相關結構壓裝而成，所有材料均參與實現(xiàn)導通電流、芯片散熱以及壓力傳遞等功能。

壓接型IGBT不存在鍵合線脫落、焊接層開裂等焊接型IGBT出現(xiàn)的失效模式，但在循環(huán)熱應力作用下，也會因不同層材料熱膨脹系數(shù)不匹配發(fā)生一系列物理、化學變化，進而導致器件電、熱、力特性退化直至失效。對現(xiàn)有研究成果進行調研分析，壓接型IGBT的老化失效模式及其機理總體上可分為5類[10 - 16]：1)長期高結溫運行引起的芯片老化失效；2)微動磨損引起芯片表面氧化；3)微動磨損引起門極氧化層損壞；4)門極“彈簧針”疲勞失效；5)芯片表面微燒蝕引起失效。上述研究成果受限于失效機理復雜、試驗方案差異和樣品數(shù)量較少，相關試驗現(xiàn)象及試驗結果還未有統(tǒng)一定論。

實際上，由于壓接型IGBT是電、熱、力多應力強耦合器件，如圖3所示，在這些應力的綜合作用下，一種特性的退化往往會引發(fā)另一種特性的退化，由此產生的相互“正反饋”效應會導致最終的失效機理呈現(xiàn)很大的不確定性，不利于后續(xù)開展失效原因分析。

圖3 壓接型IGBT多物理場耦合關系Fig.3 Multiphysics coupling relationship of press-pack IGBT(PPI)

1.2加速老化試驗方法原理

加速老化試驗是在保證試品失效機理不變的前提下，通過提升試驗應力水平加速試品失效，從而快速獲取試驗數(shù)據(jù)，便于分析失效機理，研究老化規(guī)律。

鑒于壓接型IGBT失效機理，失效部位和失效過程仍未完全明確，而現(xiàn)有標準規(guī)定的循環(huán)試驗其試驗工況與器件實際工況存在一定差異，且是對產品芯片及封裝的整體加速考核，不利于后續(xù)確定器件的薄弱環(huán)節(jié)。針對該問題，本文基于焊接型IGBT已成熟應用的功率循環(huán)試驗試驗方法，提出一種多激勵壓接型IGBT加速老化試驗方法。該方法從壓接型IGBT內部結構及發(fā)熱機理出發(fā)，分別設計了沖擊循環(huán)試驗、恒定高溫試驗、功率循環(huán)試驗和溫度循環(huán)試驗，對器件整體及不同部位的老化特性進行試驗和考核，如圖4所示。由于整個器件內部芯片、鉬片、基板(凸臺)、集電極(發(fā)射極)等部件以及外部散熱器熱阻、熱容存在差異，在各試驗項目不同循環(huán)周期的熱激勵下，各組件及其連接部位溫度梯度及溫度波動不同，從而實現(xiàn)不同試驗項目考核不同器件部位的目的。

圖4 多激勵老化試驗方法考核器件原理Fig.4 Principle of multi-excitation aging test method for testing PPI

具體而言，沖擊循環(huán)試驗熱激勵施加時間最短(微秒級)，應力峰值最高，由于器件芯片熱容較小，而其他部件熱容較大，因此沖擊試驗主要在器件芯片上產生熱沖擊應力和微觀形變，目的是激發(fā)芯片失效或門極彈簧針疲勞熱失效，模擬實際工況中器件開關損耗對器件產生的瞬態(tài)熱沖擊損傷。

恒定高溫試驗給器件施加長期穩(wěn)定的高溫，此時器件各部位溫度保持不變，由溫度波動導致的疲勞老化可忽略不計，因此恒定高溫試驗主要考核芯片在高結溫下導電、散熱的老化特性，模擬實際長期恒溫運行工況。

功率循環(huán)試驗對器件施加秒級的熱負載，該周期的熱應力同時可使芯片及相鄰的鉬片產生較大的溫度波動和應力形變，從而在二者連接部位形成微動磨損，因此功率循環(huán)主要考核芯片表面氧化和門極柵氧層損壞的老化特性，主要模擬實際工況中因負載電流周期性流過器件引起的結溫波動。

溫度循環(huán)試驗對器件施加分鐘級熱負載，由于負載周期相對最長，器件所有部位包括發(fā)射極和集電極外殼均會產生較大溫度波動，因此溫度循環(huán)試驗主要對器件整體進行溫度波動的加速老化考核，主要模擬實際啟停工況。

上述4項試驗本質上通過不同形式的熱應力對器件產生不同機制的累積損傷，相對解耦加速激發(fā)器件不同部位可能發(fā)生的失效模式，可覆蓋實際各種運行工況。這些失效部位退化過程可通過監(jiān)測器件的集射極飽和壓降、結殼熱阻、開關過程動態(tài)參數(shù)等關鍵特征參數(shù)進行辨識。所有試驗形成一個有機整體，借助不同的激勵方式及試驗過程中監(jiān)測的特征參數(shù)，為確定壓接型IGBT器件內部組件的薄弱環(huán)節(jié)，評估和提升產品實際運行可靠性提供一種有效手段。各老化試驗項目及其對應的失效模式、失效部位、特征參數(shù)及模擬的實際工況如表1所示。

表1 加速老化試驗項目及其對應的失效模式、失效機理、模擬工況、失效部位、特征參數(shù)Tab.1 Fatigue modes, mechanism, simulated conditions, positions and characteristic parameters of accelerated aging test

2 加速老化試驗方法實現(xiàn)

2.1 試驗對象

對于壓接型IGBT的加速老化試驗，常規(guī)方法往往采用專用老化試驗平臺對單只器件開展，如圖5(a)所示，試驗由恒流源提供激勵，試驗過程器件一直導通，無開關動作，器件集射極不承受關斷電壓。本文以柔直換流閥實際功率模塊為試驗對象，模擬實際工況對其施加含開關時序的電流和電壓激勵，如圖5(b)所示。試驗過程中器件所承受的電流、電壓、開關動作等應力組合可更真實激發(fā)和反映器件實際退化過程。

圖5 試驗對象Fig.5 Test object

2.2 試驗激勵施加方法

沖擊循環(huán)試驗、恒定高溫試驗、功率循環(huán)試驗、溫度循環(huán)試驗等老化試驗項目需要對器件施加不同類型、不同周期的熱激勵。常用的熱激勵施加方法包括主動激勵法和被動激勵法2種。前者通過控制電負載使器件自身發(fā)熱得到目標溫度熱激勵，后者則借助溫箱類設備直接改變器件環(huán)境溫度得到所需試驗條件。顯然，主動激勵法更貼近器件實際運行工況，且試驗工況調整靈活，實現(xiàn)方式相對簡單。結合各試驗方法原理，對試驗熱激勵類型及其需達到的熱參數(shù)目標進行數(shù)學抽象和等效，結果如表2所示。

采用圖6所示拓撲進行沖擊循環(huán)試驗，如被試器件為上管T1，則用銅排短接下管T2，觸發(fā)T1導通使其發(fā)生直通短路形成一次短路沖擊。

沖擊試驗典型的實測電流電壓波形如圖7所示，試驗中IGBT進入退保護狀態(tài)產生的損耗在短時間內會以焦耳熱形式致使芯片結溫瞬時升高，溫升值如式(1)所示。

(1)

式中：C、m分別為芯片(含鋁層)的比熱容和質量；Us、Is、Ts分別為試驗電壓、沖擊電流及持續(xù)時間，實際中可通過調整器件驅動配置進行設定。

表2 加速老化試驗方法試驗激勵類型及其熱目標Tab.2 Test excitation types and thermal objectives of accelerated aging test methods

圖6 沖擊循環(huán)試驗拓撲圖Fig.6 Principle diagram of impulse cycling test

圖7 單次沖擊試驗典型波形Fig.7 Typical waveform of single impulse test

重復上述短路沖擊過程持續(xù)對IGBT施加熱沖擊激勵，從而產生累積損傷加速器件老化。

采用圖8所示拓撲進行恒定高溫試驗、功率循環(huán)試驗和溫度循環(huán)試驗，由2個功率模塊連接負載電抗輸出周期性負載電流，負載電流包含直流和交流分量，器件損耗既包含導通損耗，也包含開關損耗，與實際工況更加貼近。

圖8 恒定高溫試驗、功率循環(huán)試驗及溫度循環(huán)試驗拓撲圖Fig.8 Principle diagram of constant high temperature test, power cycle test and thermal cycle test

基于圖4所示的器件熱阻抗網絡，負載電流在被試器件上產生的損耗可等效為周期性矩形損耗。在占空比為50%情況下，經數(shù)學推導，器件結溫Tvj、結溫波動ΔTvj、殼溫波動ΔTc可由式(2)計算得出。

(2)

由式(1)—(2)可知，在充分考慮器件管壓降、開關功耗、散熱器熱阻和熱容等影響參數(shù)的前提下，可通過控制電壓、電流、進水溫度、流量、循環(huán)周期等給定參數(shù)為整定值，得到預期的Tvj、ΔTvj、ΔTc等目標參數(shù)，如圖9所示。

圖9 各試驗項目給定參數(shù)及目標參數(shù)Fig.9 Preset and target parameters of each test

為保證加速老化試驗效果，在確保器件承受應力不超出器件安全工作區(qū)的前提下，應盡量提升目標參數(shù)值以加速試驗中器件老化進程。參考IEC標準IEC 60749- 34—2010[17]，確定各試驗項目目標溫度具體數(shù)值如表3所示。

實際應用中，由于圖9所示的給定參數(shù)和影響

表3 各試驗項目目標溫度數(shù)值Tab.3 Target temperature values of each test

參數(shù)較多，通過建立圖4(a)所示的壓接型IGBT功率模塊暫態(tài)熱阻抗模型，應用已成熟的器件損耗計算方法[18]，結合試驗平臺硬件和軟件的調節(jié)范圍，對試驗電壓U、試驗電流I、開關頻率fsw、循環(huán)周期T、進水溫度Tin、負載電抗L等參數(shù)進行整定，可得所需的試驗工況。

圖10為采用該方法得到的某3 000 A壓接型IGBT半橋功率模塊的一組試驗工況示例，圖中可看出每種試驗下結溫和殼溫仿真波形。

圖10 各試驗項目試驗工況整定結果及其仿真波形示例Fig.10 Test condition setting results and simulation waveforms of each test

需要指出的是，由于溫度循環(huán)試驗殼溫波動較大，為了使殼溫快速上升，在被試功率器件流過電流的加熱過程中不通冷卻水，在試驗臺設計時需增加對應的水冷硬件和軟件控制功能。

2.3 特征參數(shù)監(jiān)測方法

加速老化試驗過程中監(jiān)測盡可能多的特征參數(shù)有利于更全面地掌握器件的退化狀態(tài)，本文在多激勵加速老化試驗方法基礎上進一步提出針對壓接型IGBT功率模塊的多特征參數(shù)監(jiān)測和提取方法。結合表1的失效機理和特征參數(shù)的對應關系，重點監(jiān)測集射極飽和壓降Vce(sat)、殼溫Tc、結殼熱阻Rth-jc、門極閾值電壓Vge(th)、門極開通電荷Qge等參數(shù)。

借鑒焊接型IGBT老化試驗特征參數(shù)的監(jiān)測方法[19 - 22]，對于Vce(sat)、殼溫Tc等穩(wěn)態(tài)參數(shù)，選擇在線監(jiān)測方法進行測量。對于Vge(th)、Qge等需要納秒級采樣的動態(tài)參數(shù)，很難實現(xiàn)在線監(jiān)測，折中采用周期性離散監(jiān)測方法，即定期中斷老化實驗，對被試功率模塊開展雙脈沖試驗，借助高精度動態(tài)開關波形提取所需動態(tài)參數(shù)。各特征參數(shù)及其監(jiān)測方式如圖11所示。

圖11 特征參數(shù)及其監(jiān)測方法Fig.11 Characteristic parameters and their monitoring methods

對于Vce(sat)檢測，采用齊納二極管設計高壓鉗位電路，結合反向高精度運算放大電路，解決器件關斷時高壓耐受和器件導通時微小電壓高精度快速檢測問題，實際監(jiān)測誤差小于1%。圖12為一組實測器件飽和壓降波形，由圖可知，該電路可監(jiān)測給定電流下IGBT及其反并聯(lián)二極管導通工作時的飽和壓降。

圖12 實測器件(含二極管)飽和壓降檢測波形Fig.12 Test waveforms of device(with FWD)saturation voltage drop

對于殼溫Tc測量，為保證被試對象壓接型IGBT散熱器結構的完整性和通用性，不宜在散熱器與器件接觸的殼溫最高區(qū)域預埋或者開槽布置測溫傳感器。本文在散熱器側面安裝溫度傳感器間接測量殼溫，如圖13(a)所示，通過Fluent流體有限元仿真軟件建立散熱器內部水道模型，仿真得到測溫點溫度Th、殼溫Tc及其與該散熱面承受損耗P的關系曲線如圖13(b)和13(c)所示。

圖13 器件殼溫間接測量方法及結果Fig.13 Indirect measurement method and test results of device case temperature

由仿真結果可知，在進水溫度Tin下，Tc、Th與P近似成斜率為K1和K2的線性關系，由此不難擬合出如下關系。

(3)

將測溫點溫度Th代入式(3)，可得圖13(d)所示的殼溫實測值。

對于結溫Tvj測量，本文設計500 mA電流注入電路，結合上文飽和壓降檢測電路，測量不同結溫下Vce(sat)-Tvj關系曲線，并與外置專用恒流源及器件廠家數(shù)據(jù)進行對比，結果如圖14所示。

圖14 基于小電流注入的Vce(sat)-Tvj實測曲線Fig.14 Test curves of Vce(sat)-Tvj based on lower current injection method

結果表明，本文設計的板卡注入0.5 A時得到的曲線與恒流源注入0.5 A時得到的曲線吻合度較高，恒流源注入1 A電流與廠家給出的數(shù)據(jù)吻合度較高，且4條曲線斜率一致，說明本文所提方法及檢測電路有效且準確。

通過對不同試驗工況下的Ploss進行計算，將上文測量得到的結溫Tvj、殼溫Tc代入式(4)，即可得到壓接型IGBT的結殼熱阻Rth-jc。

Rth-jc=(Tvj-Tc)/Ploss

(4)

綜上，以溫度循環(huán)試驗為例，熱阻測量的流程如圖15所示。

2.4 試驗平臺

基于所提加速老化試驗方法，本文設計并搭建了試驗平臺，總體結構如圖16所示，包含交流補能電源、被試模塊、主控制器、特征參數(shù)監(jiān)測單元、水冷系統(tǒng)等部分，對應的實物圖如圖17所示。

圖16 老化試驗平臺原理框圖Fig.16 Principle diagram of aging test platform

圖17 硬件試驗平臺Fig.17 Hardware test platform

3 試驗案例分析

3.1 試驗項目及其條件

采用圖17所示的試驗平臺對兩種不同封裝的4 500 V/3 000 A壓接型IGBT器件開展加速老化試驗。沖擊循環(huán)試驗、恒定高溫試驗、功率循環(huán)試驗和溫度循環(huán)試驗等4項試驗的樣品數(shù)量均為1只器件1和1只器件2，總試驗樣品數(shù)量8只，完成的試驗項目及其工況、目標參數(shù)如表4所示。

表4 完成試驗項目及工況Tab.4 Test conditions of completed test items

為避免工況超過器件耐受邊界導致?lián)p壞，試驗初期會留有較大裕量以保證器件安全。以沖擊循環(huán)試驗為例，采用步進應力試驗方法，在確認器件安全的情況下，逐漸增大試驗的沖擊能量達到加速目的，如圖18所示。

圖18 沖擊循環(huán)試驗工況Fig.18 Test conditions of impulse cycling test

3.2 試驗結果及分析

圖19為沖擊循環(huán)試驗下，器件1和器件2的門極開通電荷變化趨勢。由圖可知，器件1在完成3 000次沖擊循環(huán)試驗的過程中，短路能量超過150 J，最高達到350 J，即短路電壓2 800 V，短路時間11 μs的情況下，門極開通電荷變化波動較小，說明在沖擊能量、短路電壓、短路時間不越限的情況下，沖擊工況對器件門極開通電荷參數(shù)變化的影響較小。通過觀察器件2的試驗記錄和門極開通電荷參數(shù)變化波形可得到與器件1類似的結論。

圖19 沖擊循環(huán)試驗特征參數(shù)測量結果及變化趨勢Fig.19 Results and trends of characteristic parameter in impulse cycling test

圖20為恒定高溫試驗下，器件1和器件2的飽和壓降變化趨勢。由圖可知，器件1在經歷113 h高溫運行試驗之后，器件在不同電流下的飽和壓降無明顯上升趨勢，說明結溫不越限的情況下，長期高溫運行對器件飽和壓降參數(shù)變化的影響較小。通過觀察器件2的試驗記錄和飽和壓降參數(shù)變化波形可得到與器件1類似的結論。

圖20 恒定高溫試驗特征參數(shù)測量結果及變化趨勢Fig.20 Results and trends of characteristic parameters in high temperature operation test

圖21為功率循環(huán)試驗下，器件1和器件2的飽和壓降變化趨勢。由圖可知，2種器件管壓降未發(fā)生明顯退化趨勢，近10萬次的功率循環(huán)并未對器件的飽和壓降產生明顯影響，說明芯片和鉬片老化程度比預期小很多。如需得到較為明顯的變化趨勢，則需要進一步增加試驗應力和次數(shù)。

圖21 功率循環(huán)試驗特征參數(shù)測量結果及變化趨勢Fig.21 Results and trend of characteristic parameters in power cycling test

圖22為溫度循環(huán)試驗下，器件1和器件2的飽和壓降、結殼熱阻變化趨勢。由圖22(a)和圖22(c)可知，器件1在經歷10 000多次溫度循環(huán)之后，飽和壓降、結殼熱阻變化并不明顯，說明器件1對于溫度循環(huán)具有很強的耐受能力，如果要看到更加明顯的趨勢需要加大試驗應力和次數(shù)。由圖22(b)和圖22(c)可知，器件2在經歷8 000多次溫度循環(huán)之后，飽和壓降、結殼熱阻變化同樣較小。但是，器件2飽和壓降在3 000次之后，電流為800 A和1 000 A下的飽和壓降出現(xiàn)了波動增大的趨勢，說明盡管器件2的飽和壓降和結殼熱阻無明顯的老化跡象，但隨著試驗的進行，已經較試驗之初發(fā)生了一定的變化，需要進一步加大試驗強度和次數(shù)才能獲取更為顯著的變化特性。

圖22 溫度循環(huán)試驗特征參數(shù)測量結果及變化趨勢Fig.22 Results and trend of characteristic parameters in active temperature cycling test

4 結論

本文針對壓接型IGBT失效機理和失效特征參數(shù)，結合實際工況提出了柔直換流閥用壓接型IGBT功率模塊的多激勵類型多特征參數(shù)加速老化試驗方法，設計了溫度循環(huán)、功率循環(huán)、沖擊循環(huán)及恒定高溫4種試驗工況及實現(xiàn)方法。綜合采用在線監(jiān)測方法和周期性離散監(jiān)測方法，實現(xiàn)了器件飽和導通壓降、散熱器殼溫、熱阻等關鍵特征參數(shù)的測量和提取。已有的試驗數(shù)據(jù)表明，2種3 kA壓接型IGBT對沖擊試驗、恒定高溫、功率循環(huán)、溫度循環(huán)試驗展示出較強的抗老化能力，未出現(xiàn)明顯的老化跡象，下一步需加大試驗強度和次數(shù)，觀察記錄相關參數(shù)的變化趨勢。