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IGBT模块为什么会老化失效?如何应对?

Why does the IGBT module age and fail? How to deal with it?

作者:本站  来源:转载  浏览:132  发布时间:2024-10-08

       绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块在风力发电、柔性交流输电、电机牵引及航空等高压大功率变流器系统中被广泛应用。作为电力电子系统中最易发生故障的器件之一,IGBT故障可分为突发性失效和老化失效,若IGBT老化失效不能被提前发现,就会导致系统发生故障,使整个系统陷入瘫痪状态,造成不可预估的损失。
       IGBT由芯片层、焊锡层、DBC(directed bonding copper)层与铜基板组成。IGBT模块主要的失效位置包含键合线根部、芯片金属化层及材料之间的焊接层。IGBT模块封装结构如图1所示。
       IGBT的失效主要与以下几个因素有关:
       1)过热。当IGBT的结温超过其最大允许温度时,会导致器件性能退化,甚至烧毁。过热通常由电流过大、散热不良或驱动电路问题引起。

图1 IGBT模块封装结构
       2)过电流。流经IGBT的电流超过其额定电流时,会产生大量的热量,导致器件温度升高,可能引发失效。过电流通常由负载短路、驱动电路故障或电路设计不当等原因引起。
       3)过电压。当IGBT承受的电压超过其额定电压时,会导致器件击穿和损坏。过电压可能由开关操作过程中的瞬态过电压、雷击等引起。
       4)瞬态过电流。在运行过程中,IGBT可能承受瞬态过电流,如续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流等。虽然这些瞬态过电流持续时间较短,但如果不采取措施,会增加IGBT的负担,导致器件失效。
       5)驱动电路。驱动电路的工作频率、输出电压的上升/下降沿速率与IGBT开关速率不匹配,或辅助电源平均输出功率、峰值功率不足等,都可能导致IGBT无法正常工作,出现失效。
       6)制造工艺、材料及使用环境。如果在制造过程中存在工艺控制问题或使用了不合格的材料,可能导致IGBT的早期失效。温度、湿度、机械应力等环境因素也可能影响IGBT的性能和使用寿命,从而引发失效。
1 物理失效分析
       物理失效是指IGBT正常工作时受内部热应力影响导致材料发生变形,最终导致其无法正常使用。物理失效主要有键合线老化、金属化层重构及焊接层退化。
       1)键合线老化
       键合线老化主要有键合线脱落和键合线断裂两种情况,如图2所示。在正常工作时,IGBT受温度变换产生的热应力的影响,键合线会发生剥离现象而引发故障,从而导致IGBT模块老化失效。
图2 IGBT键合线老化

       2)金属化层重构
       随着IGBT功率循环次数的增加,芯片表面铝金属层出现退化、晶粒增大、铝层挤压的现象,金属化层重构会造成层电阻增加,从而导致饱和压降参数上升,造成局部热点或烧熔。IGBT金属化层重构情况如图3所示。
图3 IGBT金属化层重构情况
       3)焊接层退化
       IGBT模块内部,DBC与芯片、DBC与基板之间的连接目前大多通过焊接完成,长期的热循环应力会导致焊接层脆化、开裂。IGBT焊接层破裂情况如图4所示。
图4 IGBT焊接层破裂情况
2 电气失效分析
       IGBT的电气失效是指在IGBT工作过程中,受元件内部的电压和电流等作用,致使IGBT失效。电气失效的形式有电气过应力失效、静电荷放电失效和闩锁效应失效。
       1)电气过应力失效
       IGBT电气过应力失效是指由于过电压、过电流等电气应力超过IGBT的承受能力而导致的失效。IGBT在关断过程中会产生集电极-发射极过电压尖峰,导致器件发生短路,无法正常运行。
       2)静电荷放电失效
       器件正常工作情况下会累积电荷,在电荷放电过程中可能击穿器件材料层,此时当IGBT的门极或输入端受到静电荷冲击时,可能会导致其内部的电路或元件损坏,从而引发失效。
       3)闩锁效应失效
       当集电极电流增大到一定程度时,寄生晶闸管受正向偏置电压影响导通,门极失去控制作用,形成自锁现象,由此导致集电极电流上升,引起较大的功率损耗,加速失效现象发生。
3 IGBT失效延迟方法
       延迟IGBT失效的方法可以从多个方面入手,具体包括:
       1)散热管理。过热是导致IGBT失效的主要因素之一,因此散热管理至关重要。可以采用更有效的散热方案,如优化散热器设计、增加散热面积、提高散热效率等,以降低IGBT的工作温度,避免过热损坏。
       2)电流控制。合理控制IGBT的电流大小和变化率,避免超出IGBT的额定电流和电流变化率的范围。可以采用适当的驱动电路和驱动参数,以保证IGBT工作在安全范围内。
       3)电压控制。避免IGBT承受超出其额定电压的过电压或浪涌电压,可以在IGBT两端并联适当的吸收电路或采用适当的保护措施,以吸收过电压或浪涌电压。
       4)可靠性设计。在IGBT的可靠性设计方面,可以采用冗余设计、故障诊断和隔离等技术,提高IGBT的可靠性和稳定性。
       5)制造工艺控制。加强制造过程中的质量控制和工艺控制,保证IGBT的质量和性能。可以采用适当的筛选和测试方法,剔除早期失效的IGBT器件。
       6)使用环境控制。确保IGBT在使用环境中不会受到过大的温度、湿度、压力等环境因素的影响,避免环境因素对IGBT的性能和使用寿命产生不良影响。