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基于广义端口特性的IGBT功率模块可靠性综合测试方法研究

张晏铭  
【摘要】:功率变换器可靠性和寿命预测已逐步成为近年来研究的热点,其中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT)因其多层封装结构,在常规运行中长期承受热机应力冲击极易出现封装失效。尤其在新能源并网发电、电动汽车驱动、电力机车牵引等领域,长时间处理大范围随机波动功率的工作特点是其可靠性相对较低的主要诱因。为了避免IGBT模块封装渐变失效导致严重事故,相关研究方兴未艾。其中IGBT芯片失效中瞬时过电压、过电流、过电应力等偶然因素造成的瞬时失效,过程短暂,归于保护范畴,并不是可靠性寿命研究关注重点。因此为探究IGBT模块的可靠性测试和寿命评估方法,本文以功率变换器中的IGBT模块为对象,围绕其应用特点开展了一系列研究工作并得出了相应实验结论。IGBT的理论设计寿命在30年以上,为了评估IGBT模块的可靠性和寿命,现有研究一般通过加速老化试验(Accelerate Degradation Test-ADT)在较短时间内获得较多的样本数据。针对以往实验方案效率低、试验数据一致性不好等局限,本文提出了一种优化的功率循环(Power Cycling-PC)试验加速IGBT模块失效的方案。该方案基于功率损耗产生温度梯度的实验原理,通过功率循环试验模拟并加速大功率开关器件在长期运行中因热机疲劳诱发的失效。并提出了一种适用于快速功率循环老化试验系统批量老化测试的单电流源多待测器件(Device Under Test-DUT)电路拓扑及控制策略,可对加速应力进行有效和精确的控制。基于对采用模块封装形式的IGBT端口热特性的分析,本文提出了一种可用于控制及优化功率循环速率的方法。现有寿命模型认为功率循环中结温波动幅度(ΔTj)及速率是影响模块功率循环寿命次数的关键因素,因此,文中提出通过对IGBT模块热特性进行电热比拟,将每个功率循环周期等效为RC热网络的全响应和零输入响应;同时针对现有热网络建模中耦合热阻抗难以提取的问题,提出了一种全新的离散化方波提取法,从而建立了较完备的功率循环综合热网络数值计算模型。通过实验验证,该模型不仅可用于优化功率循环速率,还为后续基于热网络的可靠性研究奠定了理论和实验基础。为便于及时监测试验中的IGBT模块状态变化,有效进行数据提取,基于对IGBT模块广义端口参数特性(电气端口和热路端口)的分析,设计了一套可方便监测并提取IGBT模块多个参数的多功能测试单元。利用集成单元可提高试验测试效率,并且最大程度避免试验样本在测试过程中受人为因素的干扰,甚至损坏。同时集成充分利用IGBT模块外部端口进行监测,避免了对模块的开封处理,采用常规封装模块即可进行测试,实验结果更为真实,为进一步的在线监测研究奠定了坚实基础。最后依照论文提出的优化设计方案搭建了一套功率循环可靠性综合测试样机平台,测试了一批试验样本模块,基于模块端口参数的监测分析了试验样本在老化过程中的变化。初步分析结果显示本文所提出的一套可靠性测试方法行之有效,可作为进一步功率循环测试及老化特征参量研究的可靠性综合基础试验平台。


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