非标条件下 IGBT 器件应用可靠性研究论文
时间：2021-08-31非标条件下 IGBT 器件应用可靠性研究论文
引言
随着电力电子和变流控制技术的不断发展，功率器件IGBT 的应用领域得到极大的拓展，在轨道交通、航空航天、船舰电推、电力传输等诸多高可靠性应用领域成为主流应用器件。IGBT 作为变流装置的主功率器件，围绕其进行可靠性相关的研究对系统设计及设备运行维护等具有十分重要的意义。国内外文献中常用失效率(λ)、可靠度(R)、平均无故障时间(MTBF)、使用寿命(LT)等指标进行IGBT 可靠性比较和评价。IGBT 模块可靠性受封装工艺、制造水平和运行工况的影响，在实际工程应用中，有时为了提高可靠性，通常采用的措施是对器件进行降额使用。这种方法的弊端是对器件缺乏可靠性的定量评估，常常出现“大马拉小车”现象，造成资源浪费。因此，立足于工程实践需求，建立一套行之有效的器件应用可靠性分析和评估方法，对变流系统的科学、合理设计具有重要意义。
典型的工业变流应用中， 对于3.3 kV 电压等级IGBT 功率器件，中间工作直流电压正常范围为1.5 kV~1.8 kV;而对于中间直流电压为2 kV 水平的变流应用设计，3.3 kV 与4.5 kV 两类IGBT 器件均可满足工程实际应用需求。但对于3.3 kV 器件，中间工作电压提升对其工作可靠性的影响情况有待进一步评估。本文基于实际变流工程应用，从器件应用失效率及使用寿命两个维度对3.3 kV 和4.5 kV 电压等级功率器件在中间直流电压为2 kV 水平下的应用可靠性展开研究。研究结果表明，在进行系统选型设计时，应从具体应用需求及客户体验特点，选择相应规格器件。
1 器件特性参数比较
采用 所示三电平半桥臂主电路拓扑对IGBT 的器件可靠性进行研究，其中间直流母线电压VDC=2 kV。由于该电路具有对称性的特点，进行器件功耗计算时，仅需考虑V1，V2 和D5 便可。
为 使分析具有代表性， 选用1500R33HL3 型和1200R45HL3 型IGBT 器件，二者特性参数对比及功耗计算结果如 所示。可以看出，两种器件封装尺寸完全兼容，当中间直流电压为2 kV 时，4.5 kV 电压等级器件的功耗要大于3.3 kV 电压等级器件的。所示功耗计算结果显示V1 位置器件的功耗最大，因此本文主要就该位置器件的可靠性进行分析研究。
2 器件失效率比较
常温(25℃)、不同电压工况下3 300 V/1 500 kA 规格IGBT 器件失效率分布情况如 所示。同样借助曲线拟合技术，对 曲线在工作电压范围的2 200 V~3 400 V 段进行拟合，并拓展至1 800 V。曲线拟合情况如 所示，拟合方程如式(2)所示。 给出了对应 各工作电压点的失效率及折算的MTBF 值。
由 和 可以看出，器件的失效率随着工作电压的升高呈递增趋势。根据 和，对工作电压为2 kV 时3.3 kV 和4.5 kV 规格IGBT 器件可靠性情况进行比较，其λ 分别为159.822 1 和0.000 997，对应MTBF 分别为6.257×106 h 和1.003×1012 h。显然，4.5 kV 规格器件的'故障率更低，平均无故障时间更长。
3 器件使用寿命比较
工程中常用功率循环(PC)次数和温度循环(TC)次数来评估器件的可靠性水平。功率循环中，壳温变化较小、结温变化频繁，在该模式下，由于键合线和硅片之间的膨胀系数(CTE)不同，大量应力作用后，键合线和硅片易剥离，导致器件失效;温度循环中，壳温变化较大且缓慢，该模式下，由于绝缘基板和铜基板之间的膨胀系数不同，大量的应力循环作用下，焊层易产生裂纹，从而导致失效。因此PC 和TC 是两种不同的失效模式，功率循环主要会导致键合线失效，使器件正向压降升高;而温度循环主要导致焊层裂缝，使器件热阻增加。
示出客户提出的24 h 试验考核条件参数，要求IGBT 器件连续工作5 000 h 无故障。在满足器件额定工况要求的前提下，按照检测条件()、器件参数来计算不同电压水平下结温温升，并由器件生产商提供的功率循环、温度循环寿命曲线，得到不同结温温升工况下的寿命指标情况。
设定散热器保持恒温65 ℃，参照 给出的系统主电路及 所列试验条件，计算得到器件功率损耗及24 h 试验结温(ΔTj)、壳温(ΔTc) 的温升数据()。对应，得到器件24 h 试验结温波动情况曲线()。
是器件厂商提供的牵引用3.3 kV 和4.5 kV 电压等级IGBT 功率循环寿命实验曲线， 是其温度循环寿命实验曲线，据此可研究得到不同温升水平下所对应的功率循环次数情况和温度循环次数情况。可计算预计器件寿命：根据 所列温升数据，查找对应 和 器件曲线寿命数据，得到不同结温温升条件下的理论循环寿命次数;根据24 h 实验检测参数，可计算得到连续工作条件下的累计循环次数;根据米勒器件损耗线性累加理论，借助式(3)预计器件使用寿命。
4 结语
研究表明，相变平板热管散热器传热性能良好，与重力热管散热器比较，其热阻值降低约30%，温度分布更均匀，可提高功率模块的电气性能及散热器的使用寿命。研究结果对大功率模块用热管散热器的设计及应用具有一定的指导意义。
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