重庆大学科研团队在多芯片并联IGBT模块老化特征参量研究上取得新进展

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多芯片并联的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是大容量电力电子装备的核心器件，其运行可靠性受到业界的广泛关注。甄选能表征多芯片并联IGBT模块老化状态的特征参量对系统主动运维和可靠性提升十分重要。 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员丁雪妮、陈民铀、赖伟、罗丹、魏云海，在2022年第13期《电工技术学报》上撰文，以英飞凌1.7kV多芯片并联封装IGBT模块为研究对象，对比分析芯片焊料层老化和键合线脱落对电-热-磁特性影响规律，提出磁感应强度作为多芯片并联IGBT模块疲劳失效状态监测的特征量。 他们的结果表明，磁感应强度在两种失效模式中灵敏性均最高，并不受环境温度变化的影响，而且在测量中可以避免与模块电路的直接接触，对模块的正常运行影响较小，因此适合作为多芯片并联功率模块运行状态监测的特征参量。

为了实现电能的高效转换和灵活控制，电力电子变换和控制技术越来越广泛地应用于新能源发电并网、柔性交直流输电、电动汽车及充电装置、轨道交通电力牵引等领域，而电力电子变换装置也成为应用系统的关键装置，在很大程度上决定着应用系统的效率、能耗、成本和可靠性。

根据工业数据统计，光伏发电系统37%的计划外维护和59%的故障相关成本是由光伏逆变器故障造成的，而风机系统和交流变频驱动系统的故障也主要由功率变换器故障导致。电力电子变换装置通常由功率半导体器件、驱动电路、储能元件和控制电路等部分组成，其故障主要由功率半导体器件失效引起，约占34%。因此，为降低电力电子变换装置故障率，提高系统的运行可靠性，满足更严格的安全和成本约束，发展功率半导体器件状态监测技术的需求在学术界和工业界变得越发迫切。

随着高压、大电流应用领域对电力电子变换装置需求的增加，以IGBT为主的功率半导体器件向大容量、标准模块化方向发展，通过多芯片并联模块的形式满足功率密度需求。多芯片并联模块在功率循环中存在不均匀的温度分布，温度最高的芯片和温度最低的芯片间存在最大5~15℃的差异，因此各芯片焊料层或键合线老化失效速度并不一致，即存在不均匀老化。

在多芯片并联模块中，每个芯片的健康状态和可靠性共同决定模块整体的健康状态和可靠性。传统老化状态参量大多适用于分立器件或单芯片开关功率模块的状态监测，但无法对多个硅芯片并联组成一个开关的大功率IGBT模块的健康状态进行准确监测和评估。

现有研究分别基于栅极信号、阈值电压和跨导对多于10个IGBT芯片并联的模块中键合线脱落引起的失效芯片数量进行监测评估，但对于并联IGBT芯片数量少于10个的模块，一个芯片失效即模块整体失效，由于并联芯片连接于同一终端，基于模块端部电气特性参数的状态监测方法不能在模块失效前对模块内部不均匀老化进行量化评估。

此外，受不平衡的温度分布、电流分布等影响，基于平均结温或平均壳温的方法对模块整体老化状态的评估会偏离实际状态。随着日益增长的大容量电力电子装置需求和不断提高的应用可靠性要求，甄选能够表征多芯片并联IGBT模块不均匀老化状态且更加便于监测的老化特征参量变得越来越重要。

重庆大学的研究人员通过对比分析电-热-磁等参数与老化状态的映射关系和响应灵敏度，提出一种可用于多芯片并联IGBT模块不均匀老化状态监测新的老化特征参量，为准确的多芯片IGBT模块准在线、在线状态评估提供支撑。

图1 稳态导通实验平台及测试原理

他们首先基于多芯片并联焊接式封装IGBT模块稳态等效电路模型，定性分析焊料层疲劳和键合线脱落两种主要老化失效过程中模块电、热、磁特性的退化。其次，建立多芯片并联IGBT模块的三维电-热-磁有限元模型，通过模型仿真得到模块芯片焊料层老化和键合线脱落中电、热、磁特征参量的变化规律。

研究人员在模块老化规律研究中，通过仿真发现，不同于单芯片模块，多芯片并联模块单个芯片焊料层老化时，老化芯片的结温增幅较小并且功率损耗不断减少。在芯片焊料层脱落时，他们对比分析结温、壳温、导通电流、功率损耗和磁感应强度的相对灵敏度，发现磁感应强度对芯片焊料层老化的灵敏度最高，同时测量结果不受环境温度的影响，并且在测量时可以避免与模块的直接接触，对模块的正常运行影响较小，因此利用磁感应强度变化监测多芯片模块内部芯片焊料层老化具有较高的可行性和实用性。

研究人员指出，针对芯片键合线脱落，不论老化芯片的结温、壳温、电流、功率损耗还是模块导通电压在前期少量键合线脱落时均没有明显变化，但老化芯片剩余键合线产生的磁感应强度却明显增大。此外，在芯片上70%的键合线脱落的失效标准下，磁感应强度变化具有33.9%的相对灵敏度，远高于其他老化特征参量的相对灵敏度，更适合作为多芯片并联IGBT模块老化状态监测的特征参量。

本文编自2022年第13期《电工技术学报》，论文标题为“多芯片并联IGBT模块老化特征参量甄选研究”。本课题得到国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费和国家自然科学基金的支持。

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2022年11月3日-5日 武汉

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