非標(biāo)條件下 IGBT 器件應(yīng)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域成為主流應(yīng)用器件。IGBT 作為變流裝置的主功率器件，圍繞其進(jìn)行可靠性相關(guān)的研究對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備運(yùn)行維護(hù)等具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中常用失效率(λ)、可靠度(R)、平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)、使用壽命(LT)等指標(biāo)進(jìn)行IGBT 可靠性比較和評(píng)價(jià)。IGBT 模塊可靠性受封裝工藝、制造水平和運(yùn)行工況的影響，在實(shí)際工程應(yīng)用中，有時(shí)為了提高可靠性，通常采用的措施是對(duì)器件進(jìn)行降額使用。這種方法的弊端是對(duì)器件缺乏可靠性的定量評(píng)估，常常出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，造成資源浪費(fèi)。因此，立足于工程實(shí)踐需求，建立一套行之有效的器件應(yīng)用可靠性分析和評(píng)估方法，對(duì)變流系統(tǒng)的科學(xué)、合理設(shè)計(jì)具有重要意義。
典型的工業(yè)變流應(yīng)用中， 對(duì)于3.3 kV 電壓等級(jí)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(duì)于中間直流電壓為2 kV 水平的變流應(yīng)用設(shè)計(jì)，3.3 kV 與4.5 kV 兩類IGBT 器件均可滿足工程實(shí)際應(yīng)用需求。但對(duì)于3.3 kV 器件，中間工作電壓提升對(duì)其工作可靠性的影響情況有待進(jìn)一步評(píng)估。本文基于實(shí)際變流工程應(yīng)用，從器件應(yīng)用失效率及使用壽命兩個(gè)維度對(duì)3.3 kV 和4.5 kV 電壓等級(jí)功率器件在中間直流電壓為2 kV 水平下的應(yīng)用可靠性展開(kāi)研究。研究結(jié)果表明，在進(jìn)行系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從具體應(yīng)用需求及客戶體驗(yàn)特點(diǎn)，選擇相應(yīng)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?fù)鋵?duì)IGBT 的器件可靠性進(jìn)行研究，其中間直流母線電壓VDC=2 kV。由于該電路具有對(duì)稱性的特點(diǎn)，進(jìn)行器件功耗計(jì)算時(shí)，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(duì)比及功耗計(jì)算結(jié)果如 所示。可以看出，兩種器件封裝尺寸完全兼容，當(dāng)中間直流電壓為2 kV 時(shí)，4.5 kV 電壓等級(jí)器件的功耗要大于3.3 kV 電壓等級(jí)器件的。所示功耗計(jì)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(jìn)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(duì) 曲線在工作電壓范圍的2 200 V~3 400 V 段進(jìn)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(duì)應(yīng) 各工作電壓點(diǎn)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(shì)。根據(jù) 和，對(duì)工作電壓為2 kV 時(shí)3.3 kV 和4.5 kV 規(guī)格IGBT 器件可靠性情況進(jìn)行比較，其λ 分別為159.822 1 和0.000 997，對(duì)應(yīng)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(wú)故障時(shí)間更長(zhǎng)。
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(lái)評(píng)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(yīng)力作用后，鍵合線和硅片易剝離，導(dǎo)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(yīng)力循環(huán)作用下，焊層易產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致鍵合線失效，使器件正向壓降升高;而溫度循環(huán)主要導(dǎo)致焊層裂縫，使器件熱阻增加。
示出客戶提出的.24 h 試驗(yàn)考核條件參數(shù)，要求IGBT 器件連續(xù)工作5 000 h 無(wú)故障。在滿足器件額定工況要求的前提下，按照檢測(cè)條件()、器件參數(shù)來(lái)計(jì)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(biāo)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(yàn)條件，計(jì)算得到器件功率損耗及24 h 試驗(yàn)結(jié)溫(ΔTj)、殼溫(ΔTc) 的溫升數(shù)據(jù)()。對(duì)應(yīng)，得到器件24 h 試驗(yàn)結(jié)溫波動(dòng)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(jí)IGBT 功率循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)曲線， 是其溫度循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)曲線，據(jù)此可研究得到不同溫升水平下所對(duì)應(yīng)的功率循環(huán)次數(shù)情況和溫度循環(huán)次數(shù)情況。可計(jì)算預(yù)計(jì)器件壽命：根據(jù) 所列溫升數(shù)據(jù)，查找對(duì)應(yīng) 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(shí)驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)，可計(jì)算得到連續(xù)工作條件下的累計(jì)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(yù)計(jì)器件使用壽命。
4 結(jié)語(yǔ)
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(duì)大功率模塊用熱管散熱器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
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