基于端口電特性的IGBT模塊可靠性研究.pdf

1、自從工業(yè)革命發(fā)生以來，人類科技呈爆炸式發(fā)展，致使以煤和石油為主的化石燃料的消耗逐年增加，也因此導致了全球范圍內(nèi)的環(huán)境問題。因此，在最近幾十年，以獲得清潔能源和保護環(huán)境為宗旨，可再生綠色能源革命已在許多國家被喚醒和引起足夠的重視，尤其是風力發(fā)電。然而，據(jù)工業(yè)調(diào)查結(jié)果顯示，作為風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，功率變流器是最容易失效的部分之一，其高失效率在很大程度上是由于功率器件失效所導致。因此亟需提出可提高功率器件可靠性的策略。
　　功率器件

2、的失效在很大程度上是由于長期功率波動引起熱應力與電應力，進而在模塊內(nèi)部產(chǎn)生機械應變，致使功率器件封裝失效?；诖耍壳把芯抗β势骷煽啃缘姆椒ㄖ饕煞譃槿悾?）根據(jù)功率器件老化失效因子或者物理特性建立壽命預測模型，在特定應用環(huán)境下，對其壽命進行評估；2）結(jié)溫波動是致使功率器件老化失效最關(guān)鍵的因素，因此在功率器件運行過程中，通過改進變流器控制算法，控制結(jié)溫在安全范圍內(nèi)波動，基于此類熱管理的方法可以延長功率器件的工作壽命；3）在功率器件運

3、行過程中，對其老化特征量進行實時監(jiān)測，可對其老化失效時間進行提前預警，防止導致系統(tǒng)級的失效，提高變流器系統(tǒng)的可靠性。在上述三類方法的基礎上，本文著重于研究基于IGBT模塊端口電特性的提高可靠性的方法。本文主要工作如下：
　　在建立壽命預測模型和研究熱管理策略時，實時獲得準確結(jié)溫信息是其關(guān)鍵一步，甚至對于一些狀態(tài)監(jiān)測方法，結(jié)溫信息也是非常重要的。因此本文在現(xiàn)有結(jié)溫測量方法的基礎上，提出了基于端口電特性的不受模塊老化影響、易于實時測量

4、的新溫敏電參數(shù)，對實時結(jié)溫進行更為可靠、更為準確的估計。首先，本文提出了基于柵極電壓開通密勒平臺和柵-主發(fā)射極電壓關(guān)斷反向跳變峰值兩種溫敏電參數(shù)，然后通過實驗數(shù)據(jù)，推導出所提溫敏電參數(shù)與結(jié)溫的數(shù)學表達式，并在變流器中與紅外測溫儀的測量結(jié)果進行了對比，驗證了所提方法的可行性和準確性，最后對比分析了所提溫敏電參數(shù)與其他溫敏電參數(shù)的優(yōu)缺點。研究結(jié)果表明：所提溫敏電參數(shù)具有很好的溫敏感度和溫線性度，能夠在變流器運行中實時測量獲得，且受鍵合線脫落

5、的影響非常小。
　　目前，在狀態(tài)監(jiān)測方法研究中使用的老化特征量多為IGBT模塊的電信號，而大多數(shù)電信號受模塊老化影響的同時，也會因結(jié)溫的變化而變化，并且對鍵合線脫落的敏感度不高。這就使得在變流器運行過程中，對狀態(tài)監(jiān)測方法的使用造成了一定的局限性。為了解決此問題，本文根據(jù)IGBT模塊的電信號特性，提出了不受結(jié)溫波動影響的老化特征量，使得在監(jiān)測IGBT模塊健康狀態(tài)過程中，不需要考慮結(jié)溫波動的影響。首先，本文提出了一種根據(jù)模塊關(guān)斷特性計

6、算鍵合線等效電阻的方法，該方法可在一定溫度波動范圍內(nèi)辨識出單根鍵合線的脫落。然后本文從理論上分析了IGBT模塊傳輸特性曲線與鍵合線脫落的關(guān)系，根據(jù)傳輸特性曲線提取出夸導值和一個交叉點，該交叉點為不同結(jié)溫下傳輸特性曲線的交叉點。設計了可在變流器停機時快速準確測量傳輸特性曲線的電路，通過與數(shù)據(jù)手冊中傳輸特性曲線的對比，驗證了所提測量電路的準確性。最后在不同結(jié)溫、不同鍵合線剪斷根數(shù)情況下，對所提老化特征量進行了全面測量。研究結(jié)果表明：在變流器