IGBT功率模块寿命预测的研究与设计

电子信息技术的发展极大的改进了人们的生产生活方式,具有饱和压降小,载流密度大等许多优点的功率器件IGBT,在超高电压电力传输、新能源的开发利用等方面获得广泛应用。然而其工作在电压高、电流强、状态切换频繁等复杂环境中。这就导致其容易损耗,使模块寿命大大降低。目前,国内外在IGBT功率模块寿命研究领域已经取得了一定的成绩。本文在介绍了IGBT结构的基础上通过建模对其寿命预测进行了研究并具体阐述了功率循环中叠加效应、任务曲线、雨流计数法。     

考虑退化状态的功率器件寿命预测研究

功率变流器是风机系统的核心组件,其可靠性直接影响风电系统的可靠性。风电变流器中主要的失效部件是IGBT模块,因此对IGBT模块进行寿命预测可以提高整个风电系统的可靠性。首先讨论变流器电热耦合模型中的退化参数,然后基于LESIT寿命预测模型和雨流循环计数法提出考虑IGBT模块退化状态的寿命预测方法。文中以1.2 MW风力发电系统为例,预测了网侧风电变流器中IGBT模块的寿命,并对比分析了是否考虑模块的退化状态对寿命预测结果的影响。     

IGBT模块功率循环疲劳寿命预测

随着IGBT功率模块的广泛应用,其功率循环可靠性问题得到关注和重视.介绍了模块的功率循环失效机理,指出铝键合线剥离是模块功率循环失效的原因;基于有限元法计算了模块在功率循环过程中的温度分布与变化,并在此基础上计算了模块的应力应变:根据应力应变数值的计算结果,分别采用应变能法和应变法等两种疲劳破坏准则,预测了键合线疲劳寿命.研究表明,铝键合线根部为模块的疲劳危险区:随着芯片热损耗的增加,芯片结温变化幅度的增加,功率模块疲劳寿命急剧地减小.     

IGBT功率模块状态监测技术综述

IGBT功率模块作为核心器件已广泛应用于交通、冶金、新能源发电以及航空航天等众多领域。为提高系统的运行可靠性,国内外学术与工程界正积极开展IGBT功率模块状态监测技术的研究。本文对目前国内外IGBT功率模块状态监测技术的研究现状进行了综述。文章在介绍状态监测基本概念的基础上系统归纳了IGBT功率模块的主要失效方式与机理,并对不同的状态监测方法进行了总结与分析。文章最后就该方向的发展趋势及有待解决的关键问题提出展望。     

混合动力汽车对功率模块稳定性的要求

汽车用功率半导体模块的的使用寿命取决于其工作环境和基于运行工况对其提出的稳定性要求。为了评估用于混合动力汽车（HEV）功率半导体模块所具备的热循环、功率循环能力,使用了汽车行驶工况循环曲线来计算模块的热可靠性要求。这种计算是基于模块损耗、热仿真模型和模块寿命模型。本文通过将功率模块连接至不同的冷却系统,探讨了主动／被动热应力条件下,诸如IGBT芯片焊接或绑定线连接等键合点。     

弹簧式压接IGBT模块内部应力及温度仿真分析

功率半导体器件的寿命与其内部的热力情况直接相关，而接触热阻严重影响压接式IGBT模块内部的温度分布，因此对于接触热阻的精确模拟尤其重要。本文对弹簧式压接IGBT进行了有限元仿真建模，基于蒙特卡洛方法来模拟接触热阻，详细分析了IGBT芯片表面温度和力的分布，提出了施加在单个芯片上的适当压力。对比了子模组中不同芯片表面的温度和应力大小，分析了多芯片子模组中极易首先发生失效的芯片。本研究结果可为弹簧式压接IGBT模块在实际生产制造和提高寿命方面提供理论参考。     

IR：高性能源自于对技术的专注

国际整流器公司(IR)是第一次参加模块电源研讨会，而且公司送评的iP1201和iP1202双输出两相DC／DC功率模块荣获了Top10DC-DC2004。IR的拳头产品是MOSFET和IGBT模块，工程经理庄魏东做了题为IGBT功率模块的高加速度温度和湿度应力测试(HAST)的演讲。由于IGBT功率模块在工作时会发出许多热量，温度上升会降低器件的散热能力，管芯温度过高也会降低器件性能并缩短器件寿命，而湿度     

进入新阶段的IGBT

作为双极型功率MOSFET的IGBT(绝缘栅双极晶体管)即将进入正式实用期,其研究开发也已到了追求极限性能的阶段。在形成沟道的阴极侧使用自对准技术来实现微细化、并使导通电压下降。在阳极-发射极采用短路结构,缩短了关断时间。另外,即使不进行缩短寿命的控制,也能做出40kHz高速工作的功率IC用的横向型IGBT。     

1200V IGBT4-适用于大电流模块、具有优化特性的新一代技术

本文首次介绍了英飞凌的新一代IGBT——新型1200V IGBT4。IGBT4是一个产品系列,具有经过优化的垂直结构,分别对应于低电压、中等电压和高电压的应用,并且对不同功率级别的典型开关频率进行了优化。本文将重点讨论针对大电流模块进行的优化,解释最重要的设计目标。最后,利用测试数据对模块实现进行了讨论。     

IGBT驱动器输出性能的计算

今天,绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在电力电子领域已经普及,并被用于许多应用中,如变频器、电源和电子驱动器。IGBT具有较高的反向电压（高达6.5 kV）,开关电流最大可达3 kA。除功率模块自身外,电力电子系统中的一个关键组件是IGBT驱动器,它是功率晶体管和控制器之间重要的接口。     

The robustness of series-connected high power IGBT modules

The behaviour in terms of robustness of series-connected high power IGBT modules is presented, arranged in a topology which ensures voltage balance on IGBT’s and diodes by means of a simple auxiliary circuit applied directly on the high power devices, which are used in hard switching mode. Analyses in terms of IGBT and diode SOA (safe operating area), collector to emitter voltage gradient and short circuit condition are reported as well as an extended experimental characterisation. Both analyses confirm superior switching rating and system reliability, by using two series-connected IGBT in substitution of a single module, same current and double voltage rated. Moreover, thanks the auxiliary circuit presence, the robustness of total system is maintained also in extreme operating conditions.     

The high frequency behaviour of high voltage and current IGBT modules

Sharp voltage gradients act as a stimulus for high power IGBT modules, which can exhibit a potentially instable high frequency behaviour. In fact, they can act as a radio frequency amplifier and, in particular operating conditions, the interaction between the device and the control or the external circuit can cause self-sustaining oscillations or the enhancement of the unevenness in current distribution inside a power module thus having a significant impact on the reliability of the power converter. Moreover, this RF amplification worsen the generated EMI (Electro Magnetic Interference). This paper presents an extensive experimental investigation about the high frequency behaviour of IGBT high power modules. The measurements were performed by means of an original experimental set-up that was specifically conceived and constructed. The data are analysed with the help of a theoretical small signal model which is able to describe RF behaviour of high power IGBT modules.     

绝缘栅控双极晶体管大功率固态调制器

现代电子电力场控器件快速发展,绝缘栅控双极晶体管具有开关速度快,电压电流耐量高等诸多优点,使用它制作大功率调制器可以显著改善可靠性,提高发射机的综合指标。     

3300V碳化硅肖特基二极管及混合功率模块研制

基于数值仿真结果,采用结势垒肖特基(JBS)结构和多重场限环终端结构实现了3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管(SBD),所用4H-SiC外延材料厚度为35 μm、n型掺杂浓度为2× 1015cm-3.二极管芯片面积为49 mm2,正向电压2.2V下电流达到50 A,比导通电阻13.7 mΩ· cm2;反偏条件下器件的雪崩击穿电压为4 600 V.基于这种3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,研制出3 300 V/600 A混合功率模块,该模块包含24只3 300 V/50 A Si IGBT与12只3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,SiC肖特基二极管为模块的续流二极管.模块的动态测试结果为:反向恢复峰值电流为33.75 A,反向恢复电荷为0.807 μC,反向恢复时间为41 ns.与传统的Si基IGBT模块相比,该混合功率模块显著降低了器件开关过程中的能量损耗.     

IGBT芯片参数对瞬态均流特性的影响

IGBT模块一般采用多芯片并联的方式进行封装,但由于模块参数、驱动控制等差异,模块内部存在电流分布不均衡的问题。相比于稳态电流分布,瞬态电流分布的影响因素众多,是研究的热点。针对IGBT的芯片参数开展了模块内部各支路瞬态电流分布特性的研究。通过建立IGBT芯片模型及芯片并联的瞬态电路分析模型,计算单一芯片参数与多种芯片参数作用下IGBT模块的瞬态电流分布,提出新的适用于芯片支路瞬态均流分析的评价指标,得到了IGBT芯片参数对并联瞬态均流影响的规律。研究结果表明阈值电压、跨导和栅极电阻是对瞬态均流影响最大的3个芯片参数,且需要关注阈值电压与跨导的共同影响。研究结果对IGBT的芯片筛选及并联后的瞬态均流计算具有指导意义。     

牵引用3 300 V平面栅IGBT栅极台面结构研究

针对机车牵引用3 300 V/1 500 A IGBT功率模块,采用TCAD仿真工具研究了不同栅极结构对器件静态和动态参数的影响。当平面栅IGBT采用栅极台面结构且台面厚度逐渐降低时,器件的静态阻断电压提高,开关损耗降低,但是器件的开关时间增加;此外,关断时过快的dv/dt会引起栅极电压振荡,开启时过快的di/dt会引起很大的电流过冲,导致器件应用的可靠性降低。在机车牵引的应用环境下,IGBT的栅极结构参数需要从电学参数和可靠性两个方面进行折中设计。     

基于SKYPER^TM32的IGBT驱动电路的设计

详细介绍了一种新型的适用于高压IGBT的驱动模块的内部结构和工作特点．SKYPERTM32驱动模块工作频率高，驱动电流大，具有完善的短路保护及短脉冲抑制功能。并介绍了该模块在基于飞轮储能系统的动态电压恢复器中的应用。结果表明，SKYPERTM32是性能优良的新型IGBT驱动模块。     

IGBT modules robustness during turn-off commutation

The behaviour in terms of robustness during turn-off of power IGBT modules is presented. The experimental characterisation is aimed to identify the main limits during turn-off in power IGBT modules in typical hard switching applications. In this paper an experimental characterization of high power IGBT modules at output currents beyond RBSOA, at high junction temperatures and under different driving conditions is presented. Several devices of different generations, current and voltage ratings have been considered. The experimental characterisation has been performed by means of a non-destructive experimental set-up where IGBT modules are switched in presence of a protection circuit that is able to prevent device failure at the occurrence of any possible instable behaviour. The experimental analysis confirms the very good robustness of high power IGBT modules which can withstand large current overstress well beyond the declared RBSOA limits even at temperatures larger than those one declared by manufacturers. A comparison between IGBT device generation is also presented.     

IGBT模块的一种驱动设计

介绍了光电耦合器件HCPL-3120和HCPL-316J的功能和特点.三相电压型逆变器的每相均由上下桥臂(两个IGBT)组成,采用HCPL-3120驱动IGBT模块(BSM10GP120)的上桥臂,采用HCPL-316J驱动IGBT模块的下桥臂.HCPL-316J具有过流、欠压保护功能,能对IGBT模块提供及时保护.实验证明,该驱动方法具有较高的稳定性和良好的保护功能.     

IGBT功耗计算及其优化的研究

绝缘栅双极晶体管(IGBT)因具备双极和功率MOSFET两种特性的独特优势,在超高电压电力传输、新能源的开发利用等方面获得广泛应用。但目前国内IGBT发展滞后,且其功耗性能及优化一直是国际上功率器件领域内研究的热点和难点。在先前研究的IGBT模型的基础上,对PSpice软件仿真所得的实验数据利用一种新的计算方法,对IGBT的静态功耗和动态功耗进行了定量计算,并与实际IGBT的功耗值进行对比。结果表明,两者的数据基本一致,同时对IGBT功耗的优化进行了探讨研究。