周生奇， 周雒維， 孫鵬菊， 李亞萍

(重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)

0 引言

絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor－IGBT)是復合型電力電子器件，集成了電力晶體管BJT和電力MOSFET的優(yōu)點，在通流能力、耐壓水平、開關速度等方面具有顯著的比較優(yōu)勢，且驅動簡單，是目前發(fā)展前景最好的關鍵電力電子器件之一，近年來，伴隨半導體制造技術的進步和變流技術的完善，IGBT的通流能力和耐壓水平有了很大的提高(6.5 kV/3.6kA)，應用領域和層次也得到相應地拓展，逐漸成為一些新領域中，比如風力發(fā)電、電動汽車、艦船綜合電力推進等，電力電子設備的主導功率器件［1－3］。不過，新的應用也給IGBT帶來嚴峻的挑戰(zhàn)［2，4］:以風力發(fā)電為例，風能變化快、預測困難，輸出功率波動劇烈，導致IGBT持續(xù)經(jīng)受極大的熱沖擊，加劇了老化進程，顯著降低了運行可靠性，致使在常規(guī)應用中原本可靠的IGBT變得極其脆弱，成為了制約風力發(fā)電的瓶頸因素之一，逐漸引起國內外學者對使IGBT可靠性問題的關注［5］。近20年來，有大量的關于IGBT模塊可靠性問題的成果報道，大致可歸納為兩類:首先是失效機理研究，明確主要的失效原因和模式［6－8］;其次是運行過程中IGBT故障診斷［9－13］以及可靠性衰退程度評估［14－16］，提出一些壽命預測模型，在很大程度上促進了IGBT模塊運行中可靠性的研究，但是由于商業(yè)化IGBT多以模塊的形式密閉封裝，造成與可靠性衰退相關信息的缺失，因此上述文獻提出的方法和壽命模型都存在一定的局限，例如文獻［14］提出以集射極飽和壓降的變化作為參數(shù)評估IGBT可靠性退化程度，但集射極飽和壓降在很大程度上受結溫影響，而結溫又很難獲取，因此，文獻［14］提出的方法尚需進一步完善。

IGBT模塊的疲勞失效是依賴于時間的隨機損傷過程［17］。文獻［6］的研究顯示，IGBT模塊在故障前，由于不斷地經(jīng)受電、熱沖擊累積作用，內部已經(jīng)出現(xiàn)某些損傷，導致了鋁鍵合線斷裂等缺陷的發(fā)生，在一定程度上降低了IGBT模塊的性能，相應地增加了IGBT模塊故障的風險。但此時IGBT模塊仍可以運行，尚不具備IGBT模塊故障后的特征，現(xiàn)有的故障診斷方法無法檢測。因此，研究IGBT模塊缺陷診斷方法，即可為IGBT模塊的健康評估提供必要的信息，也可在故障前替換存在缺陷的IGBT模塊，有效降低電力電子裝置的故障損失和維護成本。

此外，由疲勞損傷導致的缺陷還會影響到IGBT模塊內部門極寄生元件的參數(shù)，反映到外部端子上就是，門極電壓的暫態(tài)過程在缺陷前后發(fā)生相應的變化，這為逆向定性判斷IGBT模塊是否存在缺陷提供了一種可能，即通過辨識門極端子處電壓波形的變化，來突破IGBT模塊封裝的限制，間接診斷IGBT模塊內部是否存在缺陷。對具體的驅動電路而言，除IGBT模塊內部門極寄生元件之外的其他元件的參數(shù)都是確定的，且可視為時不變的，門極電壓的變化僅與IGBT模塊內部門極寄生元件有關。不過，采集門極電壓可能會受到一些不確定因素的影響，比如環(huán)境溫度和電磁干擾等，因此，本文采用小波分析了IGBT模塊門極電壓缺陷前后的變化，并引進小波相關系數(shù)，通過其數(shù)值變化定性診斷IGBT模塊的缺陷，目的是利用小波變換所具有的較好的消噪能力和較高的計算精確度，提高辨識的精確度［18］。

1 IGBT模塊缺陷及影響

1.1 IGBT模塊缺陷分析

缺陷是疲勞損傷的直接結果，其產(chǎn)生和演化與IGBT模塊的失效機理密切相關。IGBT模塊的失效主要歸因于運行中經(jīng)歷的熱、電應力［6］，大致分為內部和外部兩類模式。其中，內部失效與IGBT模塊的半導體物理性質有關，包括絕緣老化、熱載流子注入等，主要是由靜電損傷，強電場和高溫所致;而外部失效與IGBT模塊的封裝有關，包括觸點遷移、鋁鍵合線脫落、焊接層開裂等，主要由結溫波動和材料熱膨脹系數(shù)不一致所致。目前，大功率 IGBT多以模塊的形式封裝，內部器件的結構和組成材料大致相同，包括:鋁鍵合線、硅片、基板和底板等，如圖1所示。其主要組成材料的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)存在很大差異，如鋁:22 ppm/℃;硅:3 ppm/℃;基板(Al2O3或 AlN):7 或4 ppm/℃;底板(Cu或 AlSiC):17或8 ppm/℃。實際的IGBT模塊是非理想元件，存在固有的耗散功率，因此在運行過程中，除了過電壓、過電流所導致的短時熱應力集中之外，在正常工作條件下，負載和環(huán)境溫度也是隨機變化的，因此IGBT模塊的結溫波動是無法避免的，尤其是在風電等間歇性運行工況［4］，IGBT模塊會持續(xù)經(jīng)歷劇烈地熱沖擊，將在鋁鍵合線與硅片結合處和焊料層產(chǎn)生剪切應力累積，致使鋁鍵合線和焊料層的老化，產(chǎn)生鋁鍵合線斷裂和焊料層開裂兩種主要缺陷模式［14］。

此外，對于大容量IGBT模塊而言，還存在由于分流不均導致的失效問題。由于單位面積硅片通流能力的限制，模塊內部多硅片并聯(lián)模式被廣泛采用［6］，以實現(xiàn)通流能力的提高。但是，這些硅片的布局和引線雜散電感會導致瞬態(tài)分流不均［19］，容量越大，硅片數(shù)量越多，硅片間電流不平衡情況愈嚴重，致使部分硅片因老化進程加快而提前失效。盡管，單個或部分硅片失效不會導致整個模塊瞬時擊穿［20］，但會造成連鎖過流效應，影響IGBT模塊的可靠運行。

圖1 IGBT模塊剖面圖Fig.1 Cross section of an IGBT module

1.2 缺陷對門極電路元件參數(shù)的影響

缺陷對IGBT模塊門極電路參數(shù)的影響，涉及從門極端子G看去，模塊內部的一些寄生元件，如圖2所示，其中LGT、RGT分別表示門極端子引線的寄生電感和電阻;LGW、RGW分別表示門極鋁鍵合線的寄生電感和電阻;LEW、REW分別表示發(fā)射極鋁鍵合線的寄生電感和電阻;LET、RET分別表示發(fā)射極端子引線的寄生電感和電阻;LCT、RCT分別表示集電極鋁端子引線的寄生電感和電阻;CGE表示門—射極等效電容，CGC表示門—集極等效電容，CCE表示集—射極等效電容，其中的寄生參數(shù)LCT、RCT及CCE與門極電路無關［21］。

圖2 IGBT模塊電路示意Fig.2 Equivalent circuit of an IGBT module

在IGBT模塊的缺陷中，焊料層開裂會減少有效導熱面積，導致IGBT模塊結溫升高［16］，而激發(fā)熱載流子，同強電場應力損傷機理相同，會影響門—射極之間的 SiO2絕緣層，改變門極結電容［22－23］;鋁鍵合線脫落除了很顯然地影響門極寄生電感和寄生電阻參數(shù)外［19，24］，還有可能影響 IGBT 模塊內部的整體布局，從而波及到門極電容。如圖2所示的半橋結構IGBT模塊中，每個IGBT器件都有兩對IGBTFWD硅片并聯(lián)構成。若在熱沖擊累積作用下，兩并聯(lián)IGBT硅片中一個硅片的聯(lián)結鋁鍵合線全部斷裂，則該IGBT硅片失效，將會改變IGBT模塊的布局和門極結電容的構成及大小。

2 小波分析及相關性度量

2.1 小波分析

小波分析(wavelet analysis)是序列的時頻綜合表征，能夠滿足序列時頻多尺度描述需求，被廣泛用于信號處理［25－26］。序列c(t)的連續(xù)小波變換為

不過，由于計算機只能處理離散數(shù)據(jù)，因此實際連續(xù)小波變換的計算也是用離散數(shù)據(jù)進行的，只是其縮放因子和平移因子都比較小而已，這會導致計算量巨大等問題。為此，通常將縮放因子和平移因子選擇為2j，j＞0倍數(shù)，與此對應的小波基函數(shù)為

采用ψi，j(t)作為小波基函數(shù)的小波變換，稱之為雙尺度小波變換(dyadic wavelet transform)，是離散小波變換(discrete wavelet transform，DWT)中一種常見的形式。

2.2 相關性度量

通常，采用式(3)描述兩個序列x(t)與y(t)的整體相關程度，即

3 門極電壓序列相關性計算

根據(jù)式(3)所給出的序列互相關定義，知相關系數(shù)是從對立的角度描述序列x(t)與y(t)的差異，差異愈大相關系數(shù)愈小，只有完全一致時，互相關系數(shù)才為1。同樣，對于本文所采用的門極電壓序列而言，因為驅動電路參數(shù)是確定的，若IGBT模塊無缺陷的情況下，在運行的不同時期測得的門極電壓序列應基本一致，表現(xiàn)出強相關性，而缺陷出現(xiàn)后，門極寄生參數(shù)改變，門極電壓序列隨之發(fā)生變化，前后序列出現(xiàn)差異，相關性下降，互相關系數(shù)減小。因此，可以利用門極電壓序列互相關系數(shù)的變化，定性判斷IGBT模塊是否出現(xiàn)缺陷。

但是，從圖2可以看出，在IGBT模塊門極電路的組成元素中，門—集電極之間的等效寄生電容CGC具有非線性特征［29］，隨集—射極電壓VCE的變化而具有不同的值，即

其中

式中:AGD為柵—集電極交疊面積;εSi為硅的介電常數(shù);q為電子電荷量;NB為基區(qū)摻雜濃度;VCE為集—射極電壓;VGE為門級電壓;VGE(th)為門級閾值電壓。為避免參數(shù)非線性因素的影響，需對對門極電路進行了線性化處理，如圖3所示。在門極電壓VGE充電起始時刻t0至t1時刻集—射極電壓VCE開始下降期間，因換流過程的存在，VCE將保持母線電壓不變，門—集電極電容CGC≈CGDJ?CGE［30］，由 CGDJ的非線性造成的影響最小，因此，非常適合用來計算門極VGE序列的小波互相關系數(shù)，挖掘隱含其中的IGBT模塊缺陷信息。

圖3 IGBT模塊的開通波形Fig.3 Turn-on waves of an IGBT module

4 實驗研究

為驗證IGBT模塊缺陷對t0～t1時段門極電壓序列小波互相關系數(shù)的影響，搭建了圖4所示的Buck電路測試IGBT模塊門極電壓動態(tài)特性的變化，其中樣品采用富士公司提供的特殊開封IGBT模塊:2MBI150U4H－170，在實驗室模擬現(xiàn)場運行中最易出現(xiàn)的鋁鍵合線斷裂缺陷。分兩步進行，首先模擬部分鋁鍵合線斷裂(3根)，研究寄生電阻元件和寄生電感元件對門極電壓的影響;進而模擬部分硅片失效，即連接IGBT器件中兩并聯(lián)硅片之一的鋁鍵合線全部斷裂(6根)，分析寄生電容對門極電壓的影響。

圖4 實驗電路示意Fig.4 Experimental set up circuit

實驗電路中，輸入電壓:DC200V，負載:3 mH、1 Ω，開關頻率:10 kHz;示波器TDS5014B的采樣頻率為:1.25 GHz，結果如圖5所示。從中可看出，部分鋁鍵合線斷裂時，門極電壓VGE的變化尚難以分辨;而部分硅片失效時，門極電壓VGE的變化非常明顯，這是因為在IGBT模塊門極寄生電阻為毫歐級，寄生電感為納亨級，寄生電容為納法級，因此寄生電容對門極電壓VGE波形變化起決定作用。根據(jù)圖3所示，分別提取圖5中不同缺陷狀態(tài)下IGBT模塊門極電壓在t0至t1時段序列，按照式(2)進行離散小波分析，然后以缺陷前門極電壓序列為參考序列，采用式(4)計算門極電壓序列的小波互相關系數(shù)隨缺陷的變化，并給出了與常規(guī)方法所得結果的比較，如表1所示。從中可以看出:首先，隨之時間尺度的增加，采用小波互相關系數(shù)逐漸趨近于常規(guī)方法得到的結果，與小波分析理論吻合，表明采用小波互相關系數(shù)是可行;其次，可以清楚地看出小波分析在時間尺度方面靈活的優(yōu)勢，在短尺度下，部分硅片失效后，門極電壓序列的互相關系數(shù)降到了0.894 5，差異顯著地表征出來，而采用常規(guī)方法時，互相關系數(shù)為0.985 1，尚難以區(qū)別差異。

另外，由于大容量IGBT模塊內部通常會有多達幾十個硅片并聯(lián)，單個或部分硅片失效時，門極電容的變化將不會十分顯著，加之現(xiàn)場電磁干擾等不確定因素的影響，可能無法從門級電壓波形圖直接判斷IGBT內部是否存在缺陷。此時，小波變換所具備的較高的計算精確度和較好的消噪能力將變得至關重要，是提高缺陷辨識精確度和確保診斷結果正確性的有效措施之一。

表1 門極電壓序列小波互相關系數(shù)Table 1 Wavelet cross-correlations of gate voltage

圖5 缺陷前后門極電壓的波形Fig.5 Gate voltages before and after detects

5 結論

本文提出一種基于門級電壓序列小波相關分析的IGBT模塊缺陷診斷方法，并通過實驗證實了該方法的正確性。該方法能夠有效診斷出IGBT模塊內部的缺陷，可為運行人員贏得寬裕的維護時間，及時替換有缺陷的IGBT模塊，在一定程度上可以避免故障的發(fā)生，具有很好的應用價值。但是，另一方面，該方法也存在一定的不足，通過表1的結果可以看出，因受數(shù)據(jù)采集精確度等因素的影響，僅部分鋁鍵合線斷裂時，即便是在短時間尺度下，也難以判斷是否存在缺陷。因此，該方法尚需進一步研究，以期盡早發(fā)現(xiàn)缺陷。

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