壓接型IGBT 功率模塊加速老化試驗方法

李標俊，褚海洋，莊志發，文軍

(1. 中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400；2. 榮信匯科電氣股份有限公司，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

壓接型絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor ，IGBT）在柔性直流換流閥中被廣泛應用。針對壓接型IGBT 的老化測試已有相關研究，但測試器件的散熱條件與實際工程應用還有一定差距[1-4]?，F有研究對采用壓接型IGBT的柔直功率子模塊進行可靠性試驗的經驗不足，亟須針對壓接型IGBT 的加速老化方法進行研究。

文獻[5]從壓接型IGBT 的封裝方面進行了老化機理研究。目前商用壓接型IGBT 常采用多芯片并聯的封裝形式，該形式使得壓接型IGBT的電-熱性能對施加的壓力非常敏感[6-7]。文獻[8]提出了不同結構設計的IGBT，其最佳壓力范圍必然有所不同，建議要在被試器件測試時對壓接力進行匹配。文獻[9]研究了單芯片和多芯片在壓接力下的有限元模型，為規定器件壓接力度合理范圍提供了依據。文獻[10-11]認為壓接型IGBT開關瞬間的集膚和鄰近效應將導致各芯片電流通路阻抗不同，使得電流密度的分布極不均勻，影響器件可靠性。要考察器件的長期可靠性，則須為器件設計功率循環試驗。傳統的功率循環試驗設計往往基于功率變換器的可靠性評估模型。文獻[12]設計的老化循環試驗包括恒載荷和多段階梯載荷等功率循環方式，通過殼溫測量反映了試驗實時工況。文獻[13-14]完成了壓接型IGBT 器件的柔直換流閥功率模塊的仿真分析。

綜上，基于老化循環類型少、周期等參數定義難等問題，本文提出了壓接型IGBT 功率模塊加速老化試驗方法，推導出沖擊循環、高溫循環、溫度循環與功率循環等形式的老化試驗，得到了不同試驗中決定老化循環方式的波動幅度、周期等關鍵參數。

1 老化循環試驗方法原理

老化循環試驗拓撲如圖1 所示。從圖1 可以看出，2 個功率模塊之間通過負載電抗相連。對于壓接型IGBT 來說，無論是溫度循環還是功率循環，其電流和損耗都呈周期性[15-17]。本文將周期性損耗的平均值作為衡量疲勞應力的依據。若要從外部分析熱應力對器件造成的疲勞老化，則要獲得IGBT 芯片的結溫，并要建立芯片到散熱器的熱阻抗模型。目前結溫計算依賴于材料熱力特性及復雜模型參數等數據支撐[18]。對熱阻抗模型等效簡化是提高熱應力分析可行性的有效途徑。另外對于熱阻抗模型而言，文獻[19-20]提出了壓接型功率器件熱阻測量方法，具有借鑒意義。

圖1 老化循環試驗拓撲Fig. 1 Topology of aging cycle test

溫度波動值大小直接決定了器件可耐受的循環次數，結溫波動越大，循環次數越少?；诮Y溫循環的原理并結合IGBT 及其電力循環試驗標準[21-25]，本文提出了沖擊循環、高溫循環、功率循環和溫度循環等老化形式來對器件的不同部位進行耐久性和可靠性測試。

壓接型IGBT 各層結構如圖2 所示。本文采用功率器件Cauer 模型以直接反映芯片內部不同結層不同材料的熱特性，并確定了4 種加速老化試驗的考察原理，如表1 所示。

圖2 各層結構Fig. 2 Structure of each floor

表1 試驗項目Table 1 Test items

2 老化方法及熱計算

本文通過對試驗目標進行等效，4 種試驗項目類型如表2 所示。

表2 試驗類型Table 2 Test types

（1）沖擊循環試驗中IGBT 需經受短路電流，產生的損耗在短時間內會以焦耳熱形式致使芯片結溫瞬時升高，溫升值為

式中：ΔTvj為IGBT 芯片的實際溫升；C為芯片比熱容；m為芯片質量；Us為模塊電壓；Is為沖擊電流；Ts為沖擊脈沖持續時間。

短路工況時間極短，只有10 μs 左右，則只考慮IGBT 自身熱容，因此可將其模型簡化為熱阻抗模型。在短路期間短路沖擊產生的熱量幾乎全部集中在IGBT 芯片內部，因此IGBT 芯片熱容Cj為

式中：cth為芯片材料的容積比熱容；d為芯片厚度；A為芯片的面積。

（2）功率循環試驗中，IGBT 器件熱阻抗模型可看作一個n階網絡。對于周期性的方波輸入，其輸出為無數個脈沖信號的疊加。當t=T/2 時，器件結溫到達最大值Tmax。當t=T時，器件結溫達到最小值Tmin。器件結溫波動ΔT為

器件結溫波動與輸出頻率f密切相關，如進一步考慮進水溫度變化，則最大結溫Tmax為

式中：Pˉ 為脈沖功率均值；Ri為第i級熱阻抗網絡熱阻；D為結溫算子；Tin為功率模塊水冷進水溫度。

功率循環試驗負載及器件結溫變化如圖3 所示。讓結溫達到器件最大允許結溫，結溫波動為60℃，周期小于10 s，則可計算功率循環所需的電流大小。

圖3 功率循環試驗結果Fig. 3 Results of power cycle test

（3）在恒定高溫試驗中，采用恒定負載，負載調制電流設置為定值。恒定高溫試驗器件最大結溫為

式中：T為恒定高溫周期長度； τi為第i級熱阻抗網絡時間常數；k為熱阻抗模型簡化的起始級數；Tk為第k級網絡的溫度。

（4）在溫度循環試驗中，散熱器間歇性通水及不通水。不通水時散熱器可近似用一個熱容等效?？紤]溫度循環周期很長，達到分鐘級，器件熱阻抗網絡時間常數為秒級，因此可忽略器件熱路的熱容并簡化為一個總熱阻，如圖4 所示。

圖4 溫度循環試驗熱阻抗網絡模型Fig. 4 Thermal impedance model of thermal cycling test

基于上述模型，將溫度循環功率等效為方波，即

式中：uc(t)為散熱器瞬時溫度值；uc(0)為散熱器起始溫度；Ip為器件損耗；t為溫度循環試驗周期間隔時間；C為散熱器熱容。

試驗中溫度循環試驗熱損耗波形與正弦波更為接近，可通過半波正弦對熱損耗進行等效。

式中：R為模型簡化后的熱阻；f為電流頻率。

溫度循環的控制邏輯是被試對象處于升溫周期時，停止水冷系統工作，散熱器中不通水，結溫快速上升。當達到目標結溫后被進入冷卻周期，水冷系統啟動，器件結溫與殼溫恢復到初始值。

溫度循環周期長，器件結溫與殼溫波動均較大，因此對器件產生很大的熱應力和機械應力。溫度循環試驗負載及器件結溫變化如圖5 所示。

圖5 溫度循環試驗結果Fig. 5 Results of temperature cycle test

3 試驗驗證

為滿足被試模塊結溫循環的條件，本文根據老化循環各試驗原理搭建了硬件試驗平臺。測試單元、負載電感、水冷系統對于實驗平臺來說是主要的負載。供電系統和變壓器為試驗提供可靠的補能電源系統。試驗平臺電壓輸出范圍為0～5 kV，電流能力為3 kA，水冷系統功率配置為60 kW。

由于每次試驗長達數小時，監測錄波數據將占用過多的儲存資源，本文采用每次錄波60 s 的間隔性錄波方法記錄老化循環試驗過程中負載電流、散熱器溫度等可量測的數據。測試結果如圖6 所示。

根據所提出的功率循環老化方法，調制負載電流對被試功率模塊中壓接型IGBT 進行循環老化，此過程中散熱器水冷進水溫為40℃。

溫度循環試驗中負載電流以及測溫點溫度波形如圖7 所示。通水轉折點之前被試模塊因負載電流流過且水冷不通水而產生較大的溫度波動，從圖7 可以看出測溫點溫度波動達到15℃。溫度循環降溫階段加入了通水散熱，器件降溫轉折點很快出現在通水轉折點之后，這使得散熱器和器件都加速降溫，因此該方法可以對壓接型IGBT 進行持續地加速老化。

圖7 采樣曲線Fig. 7 Sampled curve

4 結語

本文提出了加速老化試驗方法，其可全面激發壓接型IGBT 各部件的疲勞老化，從而全方位地考核器件耐久性與可靠性。本文通過理論計算對各工況下的熱路模型進行等效簡化，提出了實現不同老化目標的試驗條件和整定方法。試驗結果顯示，在設計的周期性老化循環實驗中，各測溫點溫度均達到了設定目標，為基于壓接型IGBT 柔性直流換流閥功率模塊的可靠性與耐久性評估提供依據。