摘要：IGBT功率模块作为一种核心器件，在交通、冶金、新能源发电、航空航天等诸多领域得到了广泛的应用。为了提高系统运行的可靠性，在学术界和工程界积极开展研究IGBT状态监测技术的功率模块。本文综述了国内外IGBT功率模块状态监测技术的研究现状。在介绍状态监测基本概念的基础上，总结了IGBT功率模块的主要失效模式和机理，并对不同状态监测方法进行了总结和分析。最后展望了未来的发展趋势和需要解决的关键问题。
关键词：电力电子；IGBT；可靠性状态监测
绝缘栅双极晶体管功率模块是一种应用非常广泛的电力电子器件。它在光伏逆变器、风力发电变流器、储能逆变器、牵引变流器、牵引供电逆变器等相关设备中起着非常重要的作用。据国外最新调查研究，功率半导体器件是功率电子变换器中最脆弱的部分，其故障率为31%，而IGBT功率模块是应用最为广泛的功率半导体器件。因此，为了避免IGBT功率模块故障影响整个设备或系统的正常运行，有必要监测IGBT功率模块，并评价功率模块的老化程度和预测功率模块的故障。因此，探讨和开发IGBT功率模块状态监测技术，对于保证IGBT功率模块安全运行具有重要意义。
1 IGBT功率模块失效机理
1.1 与封装相关的失效
对IGBT功率模块的特殊多层结构和不同材料之间的热膨胀系数不匹配，会导致疲劳和长期热循环冲击作用下的材料老化，最终导致模块由于芯片的引线或温度的升高，导致模块断裂失效。而在功率模块制造过程中，焊接层和引线也会出现初始裂纹和空洞，这样会加快封装材料的疲劳，故增加失效概率。
1.2 与芯片相关的失效
作为功率模块的核心，半导体芯片的失效是模块失效的根本原因。传统的观点认为芯片故障是瞬间发生的，因此通过状态监测很难避免故障发生。但事实上，大多数失效机理都有一个积累和发展的过程，这为状态监测技术的实施提供了可能性。为了研究功率模块的状态监测技术，有必要深入了解芯片的各种失效机理。
1.2.1 电气过应力
电气过应力失效通常与过电压和过电流有关系。其中，高压下的热效应和部分功率器件的击穿是主要的问题。因此，在电力设备的应用中，要充分考虑冷却的要求，保证功率器件在安全工作区域内运行。另外，如果电压上升过快，会产生较大的位移电流，从而导致IGBT功率模块误触发，造成短路。考虑设计余量和电气过应力失效机理，IGBT功率模块则一般情况下都有一定程度的耐电气过应力。
1.2.2 静电荷放电
静电放电可局部击穿栅氧化层，使器件在一段时间内不能通过产品检测和运行。如果没有适当的保护电路，在过电压的作用下，会引起静电荷放电，造成电网短路故障。对于局部没有故障，可以通过测量栅极充电的衰减时间常数来检测。在实际应用中，由于功率模块失效而引起的静电放电是不易避免的。因此，对局部静态充放电在线监测的研究将成为工程界关注的课题。
1.2.3 闩锁效应和触发寄生晶体管
关断过程中的过电压变化率可能触发IGBT内部寄生晶闸管或MOSFET内寄生双极晶体管，从而产生门锁效应对功率器件的短路。通过优化半导体设计，虽然这个问题已经得到了很大的改善，但在反向安全工作区监控和限制最大电压上升率仍然是很重要的，从而避免闩锁效应。
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1.2.4 电荷效应：离子污染和热载流子注入
这是两种功率MOSFET常见的失效模式：第一种是由高电场区的离子污染累积和电场的形变引起的，第二种是由栅氧化层缺陷的增长引起的。在高温运行过程中，当载流子的能量超出晶格势垒范围时，热载流子可发射栅氧化层或其它连接层。当然，对于基于栅极MOS结构的功率器件，如IGBT，由于栅极的相对较厚的氧化层，热载流子发射现象比较少见。这两种失效机理将导致器件的外部特性，如栅阈值电压、漏电流、跨导或饱和电流等变化，最终导致器件失效。
2 IGBT状态监测技术
2.1 基于封装失效的状态监测技术
2.1.1 键合引线脱落
引线的损耗主要是由于不同功率模块的温度变化和内部不同材料的热膨胀系数不同而导致的裂纹。引线的脱落导致芯片有效接触面积和模块等效电容的减小。因此，可以通过监测模块的栅极等效电容来判断导通情况。然而，由于栅极等效电容不易获得，且变化微弱，在实际情况下监测等效电容不可操作，因此可以利用更容易获得的外部特征参数来检测更容易获得的外部特征参数。栅极电容器对IGBT功率模块开断过程中电压和电流的变化有很大的影响。在栅极恒定的驱动电流条件下，电容值越小，充放电时间越短，电压越快，反映在IGBT功率模块的接口处，表明故障功率模块的开断时间要小于正常的传输时间。线路模块的开通时间、开路电压的上升速度以及监测和开断过程中电压波形的变化可用来判断引线的损耗。由于IGBT门极电压开关的特性不受负载变化的影响，则通过监测模块的栅极电压实现IGBT功率模块故障识别是可行的。
2.1.2 焊料层疲劳
IGBT功率模块焊层疲劳会导致其热阻增大，功率损耗增大，结温和壳温升高。当热阻增加20%时，壳温可提高1.5℃，然后利用壳温与环境温度的差值来估算模块的功率损耗，计算热阻的变化。有限元仿真方法也可用于得出等效热阻值，IGBT功率模块焊料层的老化，使芯片表面的温度变化增大，但研究人员提出了用功率模块的等效热阻参数变化，和芯片表面温度的焊料层的疲劳状态，建立简单模型。来实现温度变化功率模块的的检测。而温度变化监测功率模块焊料层的疲劳失效的方法，关键在于获得连结温度和壳体温度。尤其是在结温下，在实验室中，很多测量结温的方法，如红外检测法和电参数法，都是可行的，而IGBT功率模块在正常运行中不适合进行结温测量，所以说结温和壳温的获取，对温度测量设备和测量方法提出了很高的要求。
2.2 基于芯片失效的状态监测技术
在与芯片有关的故障中，离子污染、热载流子流入和静电损伤将导致IGBT功率模块的栅极下降，而铝金属的重新组构和电迁移将增加IGBT芯片的表面电阻和接触电阻，从而增加功率模块的电阻。目前国内外对IGBT芯片疲劳失效的研究尚处于起步阶段，研究较少。
由于栅氧化层的疲劳老化和负电荷的积累，IGBT的阈值电压会逐渐增大。通过研究阈值电压随疲劳程度的变化，IGBT的阈值电压与环境温度成反比。建立IGBT阈值电压可靠性评估模型，利用阈值电压实现IGBT的状态监测。
3 结语：
对国内外IGBT功率模块状态监测技术的研究，发现国内外对IGBT功率模块封装故障状态监测技术的研究较多，对芯片故障等方面的研究较少，则有待于学者进一步研究。
参考文献：
[1]李亚萍，周雒维，孙鹏菊.IGBT功率模块加速老化方法综述[J].电源学报，2016，14（06）：122-135.
[2]孙微，刘钧，马翀慧，曾志刚.IGBT功率模块新型直接冷却技术研究[J].电气传动，2014，44（01）：81-84.
论文作者:王俭
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/17
标签：功率论文; 模块论文; 栅极论文; 电压论文; 状态论文; 芯片论文; 故障论文; 《电力设备》2018年第15期论文;