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絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）主要應(yīng)用于逆變器、變頻器、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply, UPS）、電源、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等工業(yè)控制領(lǐng)域。近年來，隨著高鐵、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備的迅速發(fā)展，高功率密度及大量的電子集成技術(shù)對(duì)其可靠性都提出了更高的要求。

光伏發(fā)電是未來發(fā)展中最有潛力的可再生能源，而IGBT是光伏系統(tǒng)中主要的功率半導(dǎo)體器件，因此其可靠性對(duì)光伏系統(tǒng)有重要影響。IGBT模塊的熱特性是模塊的重要特性之一，模塊在退化過程中，熱性能變化對(duì)于半導(dǎo)體模塊的整體性能有著重要的影響。

河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，針對(duì)現(xiàn)階段仍存在的問題，對(duì)于不同功率循環(huán)下的IGBT的熱退化特性進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同的工作模式下IGBT模塊的退化進(jìn)行了研究，并得到了不同狀態(tài)下模塊的退化特性。

圖1 IGBT的傳熱結(jié)構(gòu)

圖2 模塊及老化設(shè)備

研究人員在不同工作條件下的IGBT模塊進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)時(shí)，在相同的老化時(shí)間下觀察模塊的熱阻變化情況，通過對(duì)熱網(wǎng)絡(luò)模型和結(jié)構(gòu)函數(shù)分析進(jìn)行模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷辨識(shí)和失效機(jī)理分析，并利用仿真的方式對(duì)于不同邊界條件的動(dòng)態(tài)熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行有限元仿真，更直觀地觀察到模塊的熱傳導(dǎo)的過程，同時(shí)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性。

他們發(fā)現(xiàn)在溫度波動(dòng)較大的情況下，IGBT模塊的致命損傷往往發(fā)生在各層連接處，由于各層材料的熱膨脹系數(shù)的差別，使得焊料層分層嚴(yán)重，導(dǎo)致熱阻增加，進(jìn)一步引起熱量的大量累積，鍵合引線的損傷嚴(yán)重。而開關(guān)頻率增加以后，模塊的熱阻變化速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于溫度循環(huán)，雖然模塊的開關(guān)頻率較溫度循環(huán)增加了近百倍，但是模塊的壽命并沒有減少，說明開關(guān)頻率對(duì)于IGBT模塊芯片的沖擊造成的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫度對(duì)于模塊壽命的影響。

在后續(xù)的工作中，可以在實(shí)際工作過程中通過測(cè)量模塊的殼溫及功率，得到實(shí)時(shí)工作過程中的結(jié)溫變化，并將鍵合引線的損傷作為總體損傷的一部分及時(shí)反饋到系統(tǒng)中，從而增加IGBT模塊的壽命預(yù)測(cè)精度。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“不同工作模式下的IGBT模塊瞬態(tài)熱特性退化分析”，作者為劉向向、李志剛、姚芳。