非標條件下 IGBT 器件應用可靠性研究論文
引言
隨著電力電子和變流控制技術(shù)的不斷發(fā)展，功率器件IGBT 的應用領(lǐng)域得到極大的拓展，在軌道交通、航空航天、船艦電推、電力傳輸?shù)戎T多高可靠性應用領(lǐng)域成為主流應用器件。IGBT 作為變流裝置的主功率器件，圍繞其進行可靠性相關(guān)的研究對系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備運行維護等具有十分重要的意義。國內(nèi)外文獻中常用失效率(λ)、可靠度(R)、平均無故障時間(MTBF)、使用壽命(LT)等指標進行IGBT 可靠性比較和評價。IGBT 模塊可靠性受封裝工藝、制造水平和運行工況的影響，在實際工程應用中，有時為了提高可靠性，通常采用的措施是對器件進行降額使用。這種方法的弊端是對器件缺乏可靠性的定量評估，常常出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，造成資源浪費。因此，立足于工程實踐需求，建立一套行之有效的器件應用可靠性分析和評估方法，對變流系統(tǒng)的科學、合理設(shè)計具有重要意義。
典型的工業(yè)變流應用中， 對于3.3 kV 電壓等級IGBT 功率器件，中間工作直流電壓正常范圍為1.5 kV~1.8 kV;而對于中間直流電壓為2 kV 水平的變流應用設(shè)計，3.3 kV 與4.5 kV 兩類IGBT 器件均可滿足工程實際應用需求。但對于3.3 kV 器件，中間工作電壓提升對其工作可靠性的影響情況有待進一步評估。本文基于實際變流工程應用，從器件應用失效率及使用壽命兩個維度對3.3 kV 和4.5 kV 電壓等級功率器件在中間直流電壓為2 kV 水平下的應用可靠性展開研究。研究結(jié)果表明，在進行系統(tǒng)選型設(shè)計時，應從具體應用需求及客戶體驗特點，選擇相應規(guī)格器件。
1 器件特性參數(shù)比較
采用 所示三電平半橋臂主電路拓撲對IGBT 的器件可靠性進行研究，其中間直流母線電壓VDC=2 kV。由于該電路具有對稱性的特點，進行器件功耗計算時，僅需考慮V1，V2 和D5 便可。
為 使分析具有代表性， 選用1500R33HL3 型和1200R45HL3 型IGBT 器件，二者特性參數(shù)對比及功耗計算結(jié)果如 所示。可以看出，兩種器件封裝尺寸完全兼容，當中間直流電壓為2 kV 時，4.5 kV 電壓等級器件的功耗要大于3.3 kV 電壓等級器件的。所示功耗計算結(jié)果顯示V1 位置器件的功耗最大，因此本文主要就該位置器件的可靠性進行分析研究。
2 器件失效率比較
常溫(25℃)、不同電壓工況下3 300 V/1 500 kA 規(guī)格IGBT 器件失效率分布情況如 所示。同樣借助曲線擬合技術(shù)，對 曲線在工作電壓范圍的2 200 V~3 400 V 段進行擬合，并拓展至1 800 V。曲線擬合情況如 所示，擬合方程如式(2)所示。 給出了對應 各工作電壓點的失效率及折算的MTBF 值。
由 和 可以看出，器件的失效率隨著工作電壓的升高呈遞增趨勢。根據(jù) 和，對工作電壓為2 kV 時3.3 kV 和4.5 kV 規(guī)格IGBT 器件可靠性情況進行比較，其λ 分別為159.822 1 和0.000 997，對應MTBF 分別為6.257×106 h 和1.003×1012 h。顯然，4.5 kV 規(guī)格器件的故障率更低，平均無故障時間更長。
3 器件使用壽命比較
工程中常用功率循環(huán)(PC)次數(shù)和溫度循環(huán)(TC)次數(shù)來評估器件的可靠性水平。功率循環(huán)中，殼溫變化較小、結(jié)溫變化頻繁，在該模式下，由于鍵合線和硅片之間的膨脹系數(shù)(CTE)不同，大量應力作用后，鍵合線和硅片易剝離，導致器件失效;溫度循環(huán)中，殼溫變化較大且緩慢，該模式下，由于絕緣基板和銅基板之間的膨脹系數(shù)不同，大量的應力循環(huán)作用下，焊層易產(chǎn)生裂紋，從而導致失效。因此PC 和TC 是兩種不同的失效模式，功率循環(huán)主要會導致鍵合線失效，使器件正向壓降升高;而溫度循環(huán)主要導致焊層裂縫，使器件熱阻增加。
示出客戶提出的.24 h 試驗考核條件參數(shù)，要求IGBT 器件連續(xù)工作5 000 h 無故障。在滿足器件額定工況要求的前提下，按照檢測條件()、器件參數(shù)來計算不同電壓水平下結(jié)溫溫升，并由器件生產(chǎn)商提供的功率循環(huán)、溫度循環(huán)壽命曲線，得到不同結(jié)溫溫升工況下的壽命指標情況。
設(shè)定散熱器保持恒溫65 ℃，參照 給出的系統(tǒng)主電路及 所列試驗條件，計算得到器件功率損耗及24 h 試驗結(jié)溫(ΔTj)、殼溫(ΔTc) 的溫升數(shù)據(jù)()。對應，得到器件24 h 試驗結(jié)溫波動情況曲線()。
是器件廠商提供的牽引用3.3 kV 和4.5 kV 電壓等級IGBT 功率循環(huán)壽命實驗曲線， 是其溫度循環(huán)壽命實驗曲線，據(jù)此可研究得到不同溫升水平下所對應的功率循環(huán)次數(shù)情況和溫度循環(huán)次數(shù)情況�？捎嬎泐A計器件壽命：根據(jù) 所列溫升數(shù)據(jù)，查找對應 和 器件曲線壽命數(shù)據(jù)，得到不同結(jié)溫溫升條件下的理論循環(huán)壽命次數(shù);根據(jù)24 h 實驗檢測參數(shù)，可計算得到連續(xù)工作條件下的累計循環(huán)次數(shù);根據(jù)米勒器件損耗線性累加理論，借助式(3)預計器件使用壽命。
4 結(jié)語
研究表明，相變平板熱管散熱器傳熱性能良好，與重力熱管散熱器比較，其熱阻值降低約30%，溫度分布更均勻，可提高功率模塊的電氣性能及散熱器的使用壽命。研究結(jié)果對大功率模塊用熱管散熱器的設(shè)計及應用具有一定的指導意義。
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