壓接型IGBT 功率模塊加速老化試驗(yàn)方法

李標(biāo)俊，褚海洋，莊志發(fā)，文軍

(1. 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400；2. 榮信匯科電氣股份有限公司，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

壓接型絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor ，IGBT）在柔性直流換流閥中被廣泛應(yīng)用。針對(duì)壓接型IGBT 的老化測試已有相關(guān)研究，但測試器件的散熱條件與實(shí)際工程應(yīng)用還有一定差距[1-4]。現(xiàn)有研究對(duì)采用壓接型IGBT的柔直功率子模塊進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)不足，亟須針對(duì)壓接型IGBT 的加速老化方法進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[5]從壓接型IGBT 的封裝方面進(jìn)行了老化機(jī)理研究。目前商用壓接型IGBT 常采用多芯片并聯(lián)的封裝形式，該形式使得壓接型IGBT的電-熱性能對(duì)施加的壓力非常敏感[6-7]。文獻(xiàn)[8]提出了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的IGBT，其最佳壓力范圍必然有所不同，建議要在被試器件測試時(shí)對(duì)壓接力進(jìn)行匹配。文獻(xiàn)[9]研究了單芯片和多芯片在壓接力下的有限元模型，為規(guī)定器件壓接力度合理范圍提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[10-11]認(rèn)為壓接型IGBT開關(guān)瞬間的集膚和鄰近效應(yīng)將導(dǎo)致各芯片電流通路阻抗不同，使得電流密度的分布極不均勻，影響器件可靠性。要考察器件的長期可靠性，則須為器件設(shè)計(jì)功率循環(huán)試驗(yàn)。傳統(tǒng)的功率循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)往往基于功率變換器的可靠性評(píng)估模型。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)的老化循環(huán)試驗(yàn)包括恒載荷和多段階梯載荷等功率循環(huán)方式，通過殼溫測量反映了試驗(yàn)實(shí)時(shí)工況。文獻(xiàn)[13-14]完成了壓接型IGBT 器件的柔直換流閥功率模塊的仿真分析。

綜上，基于老化循環(huán)類型少、周期等參數(shù)定義難等問題，本文提出了壓接型IGBT 功率模塊加速老化試驗(yàn)方法，推導(dǎo)出沖擊循環(huán)、高溫循環(huán)、溫度循環(huán)與功率循環(huán)等形式的老化試驗(yàn)，得到了不同試驗(yàn)中決定老化循環(huán)方式的波動(dòng)幅度、周期等關(guān)鍵參數(shù)。

1 老化循環(huán)試驗(yàn)方法原理

老化循環(huán)試驗(yàn)拓?fù)淙鐖D1 所示。從圖1 可以看出，2 個(gè)功率模塊之間通過負(fù)載電抗相連。對(duì)于壓接型IGBT 來說，無論是溫度循環(huán)還是功率循環(huán)，其電流和損耗都呈周期性[15-17]。本文將周期性損耗的平均值作為衡量疲勞應(yīng)力的依據(jù)。若要從外部分析熱應(yīng)力對(duì)器件造成的疲勞老化，則要獲得IGBT 芯片的結(jié)溫，并要建立芯片到散熱器的熱阻抗模型。目前結(jié)溫計(jì)算依賴于材料熱力特性及復(fù)雜模型參數(shù)等數(shù)據(jù)支撐[18]。對(duì)熱阻抗模型等效簡化是提高熱應(yīng)力分析可行性的有效途徑。另外對(duì)于熱阻抗模型而言，文獻(xiàn)[19-20]提出了壓接型功率器件熱阻測量方法，具有借鑒意義。

圖1 老化循環(huán)試驗(yàn)拓?fù)銯ig. 1 Topology of aging cycle test

溫度波動(dòng)值大小直接決定了器件可耐受的循環(huán)次數(shù)，結(jié)溫波動(dòng)越大，循環(huán)次數(shù)越少?；诮Y(jié)溫循環(huán)的原理并結(jié)合IGBT 及其電力循環(huán)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[21-25]，本文提出了沖擊循環(huán)、高溫循環(huán)、功率循環(huán)和溫度循環(huán)等老化形式來對(duì)器件的不同部位進(jìn)行耐久性和可靠性測試。

壓接型IGBT 各層結(jié)構(gòu)如圖2 所示。本文采用功率器件Cauer 模型以直接反映芯片內(nèi)部不同結(jié)層不同材料的熱特性，并確定了4 種加速老化試驗(yàn)的考察原理，如表1 所示。

圖2 各層結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of each floor

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 Test items

2 老化方法及熱計(jì)算

本文通過對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行等效，4 種試驗(yàn)項(xiàng)目類型如表2 所示。

表2 試驗(yàn)類型Table 2 Test types

（1）沖擊循環(huán)試驗(yàn)中IGBT 需經(jīng)受短路電流，產(chǎn)生的損耗在短時(shí)間內(nèi)會(huì)以焦耳熱形式致使芯片結(jié)溫瞬時(shí)升高，溫升值為

式中：ΔTvj為IGBT 芯片的實(shí)際溫升；C為芯片比熱容；m為芯片質(zhì)量；Us為模塊電壓；Is為沖擊電流；Ts為沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間。

短路工況時(shí)間極短，只有10 μs 左右，則只考慮IGBT 自身熱容，因此可將其模型簡化為熱阻抗模型。在短路期間短路沖擊產(chǎn)生的熱量幾乎全部集中在IGBT 芯片內(nèi)部，因此IGBT 芯片熱容Cj為

式中：cth為芯片材料的容積比熱容；d為芯片厚度；A為芯片的面積。

（2）功率循環(huán)試驗(yàn)中，IGBT 器件熱阻抗模型可看作一個(gè)n階網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于周期性的方波輸入，其輸出為無數(shù)個(gè)脈沖信號(hào)的疊加。當(dāng)t=T/2 時(shí)，器件結(jié)溫到達(dá)最大值Tmax。當(dāng)t=T時(shí)，器件結(jié)溫達(dá)到最小值Tmin。器件結(jié)溫波動(dòng)ΔT為

器件結(jié)溫波動(dòng)與輸出頻率f密切相關(guān)，如進(jìn)一步考慮進(jìn)水溫度變化，則最大結(jié)溫Tmax為

式中：Pˉ 為脈沖功率均值；Ri為第i級(jí)熱阻抗網(wǎng)絡(luò)熱阻；D為結(jié)溫算子；Tin為功率模塊水冷進(jìn)水溫度。

功率循環(huán)試驗(yàn)負(fù)載及器件結(jié)溫變化如圖3 所示。讓結(jié)溫達(dá)到器件最大允許結(jié)溫，結(jié)溫波動(dòng)為60℃，周期小于10 s，則可計(jì)算功率循環(huán)所需的電流大小。

圖3 功率循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Results of power cycle test

（3）在恒定高溫試驗(yàn)中，采用恒定負(fù)載，負(fù)載調(diào)制電流設(shè)置為定值。恒定高溫試驗(yàn)器件最大結(jié)溫為

式中：T為恒定高溫周期長度； τi為第i級(jí)熱阻抗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)；k為熱阻抗模型簡化的起始級(jí)數(shù)；Tk為第k級(jí)網(wǎng)絡(luò)的溫度。

（4）在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，散熱器間歇性通水及不通水。不通水時(shí)散熱器可近似用一個(gè)熱容等效?？紤]溫度循環(huán)周期很長，達(dá)到分鐘級(jí)，器件熱阻抗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)為秒級(jí)，因此可忽略器件熱路的熱容并簡化為一個(gè)總熱阻，如圖4 所示。

圖4 溫度循環(huán)試驗(yàn)熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 4 Thermal impedance model of thermal cycling test

基于上述模型，將溫度循環(huán)功率等效為方波，即

式中：uc(t)為散熱器瞬時(shí)溫度值；uc(0)為散熱器起始溫度；Ip為器件損耗；t為溫度循環(huán)試驗(yàn)周期間隔時(shí)間；C為散熱器熱容。

試驗(yàn)中溫度循環(huán)試驗(yàn)熱損耗波形與正弦波更為接近，可通過半波正弦對(duì)熱損耗進(jìn)行等效。

式中：R為模型簡化后的熱阻；f為電流頻率。

溫度循環(huán)的控制邏輯是被試對(duì)象處于升溫周期時(shí)，停止水冷系統(tǒng)工作，散熱器中不通水，結(jié)溫快速上升。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)結(jié)溫后被進(jìn)入冷卻周期，水冷系統(tǒng)啟動(dòng)，器件結(jié)溫與殼溫恢復(fù)到初始值。

溫度循環(huán)周期長，器件結(jié)溫與殼溫波動(dòng)均較大，因此對(duì)器件產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。溫度循環(huán)試驗(yàn)負(fù)載及器件結(jié)溫變化如圖5 所示。

圖5 溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Results of temperature cycle test

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為滿足被試模塊結(jié)溫循環(huán)的條件，本文根據(jù)老化循環(huán)各試驗(yàn)原理搭建了硬件試驗(yàn)平臺(tái)。測試單元、負(fù)載電感、水冷系統(tǒng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來說是主要的負(fù)載。供電系統(tǒng)和變壓器為試驗(yàn)提供可靠的補(bǔ)能電源系統(tǒng)。試驗(yàn)平臺(tái)電壓輸出范圍為0～5 kV，電流能力為3 kA，水冷系統(tǒng)功率配置為60 kW。

由于每次試驗(yàn)長達(dá)數(shù)小時(shí)，監(jiān)測錄波數(shù)據(jù)將占用過多的儲(chǔ)存資源，本文采用每次錄波60 s 的間隔性錄波方法記錄老化循環(huán)試驗(yàn)過程中負(fù)載電流、散熱器溫度等可量測的數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如圖6 所示。

根據(jù)所提出的功率循環(huán)老化方法，調(diào)制負(fù)載電流對(duì)被試功率模塊中壓接型IGBT 進(jìn)行循環(huán)老化，此過程中散熱器水冷進(jìn)水溫為40℃。

溫度循環(huán)試驗(yàn)中負(fù)載電流以及測溫點(diǎn)溫度波形如圖7 所示。通水轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前被試模塊因負(fù)載電流流過且水冷不通水而產(chǎn)生較大的溫度波動(dòng)，從圖7 可以看出測溫點(diǎn)溫度波動(dòng)達(dá)到15℃。溫度循環(huán)降溫階段加入了通水散熱，器件降溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)很快出現(xiàn)在通水轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，這使得散熱器和器件都加速降溫，因此該方法可以對(duì)壓接型IGBT 進(jìn)行持續(xù)地加速老化。

圖7 采樣曲線Fig. 7 Sampled curve

4 結(jié)語

本文提出了加速老化試驗(yàn)方法，其可全面激發(fā)壓接型IGBT 各部件的疲勞老化，從而全方位地考核器件耐久性與可靠性。本文通過理論計(jì)算對(duì)各工況下的熱路模型進(jìn)行等效簡化，提出了實(shí)現(xiàn)不同老化目標(biāo)的試驗(yàn)條件和整定方法。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在設(shè)計(jì)的周期性老化循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，各測溫點(diǎn)溫度均達(dá)到了設(shè)定目標(biāo)，為基于壓接型IGBT 柔性直流換流閥功率模塊的可靠性與耐久性評(píng)估提供依據(jù)。