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的不斷發展，功率器件IGBT 的應用領域得到極大的拓展，在軌道交通、航空航天、船艦電推、電力傳輸等諸多高可靠性應用領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的研究對系統設計及設備運行維護等具有十分重要的意義。國內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“大馬拉小車”現象，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，對變流系統的科學、合理設計具有重要意義。
典型的工業變流應用中， 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。研究結果表明，在進行系統選型設計時，應從具體應用需求及客戶體驗特點，選擇相應規格器件。
1 器件特性參數比較
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，二者特性參數對比及功耗計算結果如 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 規格IGBT 器件失效率分布情況如 所示。同樣借助曲線擬合技術，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 和，對工作電壓為2 kV 時3.3 kV 和4.5 kV 規格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(PC)次數和溫度循環(TC)次數來評估器件的可靠性水平。功率循環中，殼溫變化較小、結溫變化頻繁，在該模式下，由于鍵合線和硅片之間的膨脹系數(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不同，大量的應力循環作用下，焊層易產生裂紋，從而導致失效。因此PC 和TC 是兩種不同的失效模式，功率循環主要會導致鍵合線失效，使器件正向壓降升高;而溫度循環主要導致焊層裂縫，使器件熱阻增加。
示出客戶提出的.24 h 試驗考核條件參數，要求IGBT 器件連續工作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()、器件參數來計算不同電壓水平下結溫溫升，并由器件生產商提供的功率循環、溫度循環壽命曲線，得到不同結溫溫升工況下的壽命指標情況。
設定散熱器保持恒溫65 ℃，參照 給出的系統主電路及 所列試驗條件，計算得到器件功率損耗及24 h 試驗結溫(ΔTj)、殼溫(ΔTc) 的溫升數據()。對應，得到器件24 h 試驗結溫波動情況曲線()。
是器件廠商提供的牽引用3.3 kV 和4.5 kV 電壓等級IGBT 功率循環壽命實驗曲線， 是其溫度循環壽命實驗曲線，據此可研究得到不同溫升水平下所對應的功率循環次數情況和溫度循環次數情況。可計算預計器件壽命：根據 所列溫升數據，查找對應 和 器件曲線壽命數據，得到不同結溫溫升條件下的理論循環壽命次數;根據24 h 實驗檢測參數，可計算得到連續工作條件下的累計循環次數;根據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。研究結果對大功率模塊用熱管散熱器的設計及應用具有一定的指導意義。
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