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          如何正確理解功率循環曲線

          發布時間:2022-04-20 來源:楊勇,英飛凌 責任編輯:wenwei

          【導讀】近年來IGBT的可靠性問題一直受到行業的廣泛關注,特別是風力發電、軌道交通等應用領域。IGBT的可靠性通常用以芯片結溫變化為衡量目標的功率循環曲線和基板溫度變化為衡量目標的溫度循環曲線來評估。引起IGBT可靠性問題的原因主要是IGBT是由多種膨脹系數不同的材料焊接在一起,工作過程中溫度的變化會引起結合點的老化,以及綁定線在工作過程中熱脹冷縮;另外綁定線的成分,綁定工具的形狀、綁定參數以及芯片的金屬化焊接等因素都會影響IGBT的可靠性。


          本文以功率循環曲線為例介紹如何正確理解IGBT廠家給出的功率循環曲線。


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          上圖是一張典型的IGBT功率循環曲線圖,圖中橫軸是芯片結溫變化值,其定義是測試開始時開通階段芯片溫度最高值減去關斷階段芯片溫度最低值;縱軸是IGBT飽和電壓上升了初始值5%時的循環次數;圖中的實線表示數據是實驗室測試值,虛線是通過數學模型仿真得到的數值。圖中右面給出了測試條件,典型的測試循環周期是3秒,其中開通關斷各1.5秒;測試的最高溫度是150攝氏度,有時也會給出100攝氏度、125攝氏度的曲線。


          如果僅僅了解這些,那對功率循環曲線是不夠的。因為測試的條件以及失效條件會極大地影響到循環能達到的數值。


          1、脈沖寬度對PC曲線的影響


          首先看一下測試脈沖寬度。上述提到測試周期是3秒,但是在實際測試中有四種不同的加載方法[1],分別是:


          1 恒定導通和關斷時間

          2 恒定殼溫

          3 恒定功率

          4 恒定結溫波動


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          從上述測試條件的描述可以看出,在這四種測試方法中,對于相同的被測對象測試結果差異很大。第一種測試方法由于沒有任何補償,測試條件最苛刻,后三種都增加了補償,或者通過減小脈沖寬度、或者通過提高門極電壓,因此測試循環次數相對較多。德國Chemnitz大學的研究人員對600V 50A的EasyPACK做了對比試驗,測試結果如下圖所示。從圖中可以看出,恒定開通關斷測試得到的循環次數最短(黑色線),恒定結溫波動的循環次數最多(紫色線)。其原因是在第一種測試方法中,隨著測試的進行器件飽和電壓上升,由于開通脈沖時間固定,所以每個脈沖能量是增加的,因此結溫變化也會高于初始值;英飛凌采用恒定開通和關斷時間的測試方法。


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          2、失效判定條件對PC曲線的影響


          通常器件飽和電壓上升了5%后認為器件失效,一般而言測試需要的一定數量的樣品,通常選擇72個芯片,依照概率統計的方法選95%的置信度作為最后的統計值。也就是說廠家給出的功率循環次數值其實是在某一置信度條件下的概率統計值,如果置信度給的不一樣,那最后的結果也會不一樣。在實際應用中,如果僅僅測試幾個樣品,得到的結論往往是不夠全面。


          3、實際開通時間對PC曲線的影響


          一般廠家給出的測試周期是3秒, 但在實際工作中, 例如風力發電直驅機組,假設電機側電流周期大約10Hz,一個周波為0.1s,考慮一個IGBT 開關的持續開通時間為50ms,在這個期間IGBT 的溫度持續上升,在下一個50ms 該IGBT 芯片持續降低。Bayerer 博士,Lutz教授在CIPS 2008年的論文中給出了結溫變化、開通時間等因素對于IGBT 壽命影響的數學模型?;谏鲜隼碚撘约皩嶒炃蠼?,英飛凌給出了開通時間影響的參考曲線,如下圖所示。從圖中可以看出,開通時間短,器件的功率循環次數變長。究其原因主要是由于在秒級循環測試中綁定線的失效主要以材料的塑性變形為主,而在幾十毫秒的循環測試中綁定線的失效模式由塑性變形向彈性變形過度,因而壽命變長。


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          通過以上學習,我們可以得到以下結論:


          1. IGBT芯片存在由于溫度波動引起的可靠性問題。

          2. 功率循環測試有四種不同的測試方法,對于同一個被測對象,測試結果有很大差異。其中恒定導通和關斷時間的測試方法,其測試條件最為苛刻,因而測試的循環次數也最短,帶有補償的其余三種測試方法,其測試循環次數會變長。

          3. 需要考慮開通時間對于IGBT功率循環的影響,廠家給出的數據一般都是秒級的,需要依據實際開通時間做折算。

          4. IGBT廠家給出的功率循環曲線是基于一定樣本數量的概率統計結果。如果只是測試少量幾個樣品,得到的結論往往是不夠全面的。


          為了計算IGBT的功率循環壽命,英飛凌在線仿真平臺IPOSIM新推出了壽命評估服務,只需輕輕點擊幾次,即可獲取功率模塊的壽命。



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