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绝缘栅双极型晶体管结温测量方法的研究

毛娅婕  
【摘要】:结温是影响功率变流装置可靠性的关键参数之一,研究功率变流装置中功率器件的结温测量方法是确保功率变流装置安全可靠运行和降低维护成本的重要举措。近年来,随着半导体制造工艺的进步和功率变流装置应用领域的拓展,IGBT作为功率变流装置中的核心元件被广泛应用于风力发电、电力牵引和航空航天动力系统等领域。上述应用场合工况严峻,对IGBT的可靠性有很高的要求。研究表明,IGBT重复开通、关断时,结温剧烈波动,在热应力冲击的反复作用下将产生失效或疲劳效应。由于其工作寿命与可靠性将影响到整个装置或系统的正常运行,由此而使IGBT模块可靠性问题的研究成为国内外学者关注的热点。结温同IGBT模块的使用寿命及可靠性密切相关,IGBT在承受持续的热冲击下由于结温波动过大而引发器件老化失效成为制约其可靠运行的主要原因。因此,获取既定工作条件下功率变流装置中IGBT模块的结温状况,找到一种切实可行的结温测量方法,在器件故障失效前对器件结温加以控制显得极为重要。本文以IGBT为对象,研究一种能够准确预测IGBT模块结温的方法,并且考虑由于器件老化进程使得模块内相关参数发生变化而给结温测量带来的误差,以期为结温控制和相关可靠性研究服务。 首先,准确分析IGBT模块失效机理和热特性对可靠性的影响是减少事故发生,提高安全性的基础。为此,本文从IGBT的封装结构和热传递分析入手,阐述了引发IGBT失效的因素。指出结温剧烈波动是引发IGBT键合线脱落以及焊料层疲劳老化的最主要诱因。然后从芯片角度说明了温度对IGBT可靠性的影响,完成了IGBT温敏参数法测结温的参数选择实验,对比各参数优缺点,确定以饱和压降作为温敏参数测量结温。 其次,器件的老化衰退会对温敏参数结温测量法带来一定的误差,衰退老化所引起的模块内特性变化会影响原有测量方法准确性。为此,监测老化进程中模块各状态量的变化情况,实现精确地结温在线测量成为首要解决的任务。为获取完整老化进程中各个状态量的变化,故提出设计搭建IGBT加速老化实验平台,详细介绍了实验装置以及实验方法步骤,并完成了IGBT模块功率循环老化实验,给出了模块老化前后饱和压降、栅极电压和栅极电流的对比图。实验结果与数据可以为IGBT结温测量方法研究服务。 最后,本文在完成加速老化试验的基础上,选取可监测的IGBT饱和压降作为温敏参数评估结温,获取了大电流与小电流结温饱和压降对应关系。分别考虑温度与电流的影响,提出并构建了基于饱和压降的IGBT结温预测模型,并对老化前后结温预测模型进行了对比分析。该方法可以用于实现对老化进程中IGBT模块的结温在线评估,本文提出的结温测量方法方便简单,在获取IGBT模块端部特性量的基础上就可以实现结温监测,具有一定的通用性,从而为IGBT模块结温的在线测量及结温控制研究奠定了基础。


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