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為了實現(xiàn)電能的高效轉(zhuǎn)換和靈活控制，電力電子變換和控制技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)、柔性交直流輸電、電動汽車及充電裝置、軌道交通電力牽引等領(lǐng)域，而電力電子變換裝置也成為應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，在很大程度上決定著應(yīng)用系統(tǒng)的效率、能耗、成本和可靠性。

根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，光伏發(fā)電系統(tǒng)37%的計劃外維護和59%的故障相關(guān)成本是由光伏逆變器故障造成的，而風(fēng)機系統(tǒng)和交流變頻驅(qū)動系統(tǒng)的故障也主要由功率變換器故障導(dǎo)致。電力電子變換裝置通常由功率半導(dǎo)體器件、驅(qū)動電路、儲能元件和控制電路等部分組成，其故障主要由功率半導(dǎo)體器件失效引起，約占34%。因此，為降低電力電子變換裝置故障率，提高系統(tǒng)的運行可靠性，滿足更嚴(yán)格的安全和成本約束，發(fā)展功率半導(dǎo)體器件狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的需求在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界變得越發(fā)迫切。

隨著高壓、大電流應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娏﹄娮幼儞Q裝置需求的增加，以IGBT為主的功率半導(dǎo)體器件向大容量、標(biāo)準(zhǔn)模塊化方向發(fā)展，通過多芯片并聯(lián)模塊的形式滿足功率密度需求。多芯片并聯(lián)模塊在功率循環(huán)中存在不均勻的溫度分布，溫度最高的芯片和溫度最低的芯片間存在最大5~15℃的差異，因此各芯片焊料層或鍵合線老化失效速度并不一致，即存在不均勻老化。

在多芯片并聯(lián)模塊中，每個芯片的健康狀態(tài)和可靠性共同決定模塊整體的健康狀態(tài)和可靠性。傳統(tǒng)老化狀態(tài)參量大多適用于分立器件或單芯片開關(guān)功率模塊的狀態(tài)監(jiān)測，但無法對多個硅芯片并聯(lián)組成一個開關(guān)的大功率IGBT模塊的健康狀態(tài)進行準(zhǔn)確監(jiān)測和評估。

現(xiàn)有研究分別基于柵極信號、閾值電壓和跨導(dǎo)對多于10個IGBT芯片并聯(lián)的模塊中鍵合線脫落引起的失效芯片數(shù)量進行監(jiān)測評估，但對于并聯(lián)IGBT芯片數(shù)量少于10個的模塊，一個芯片失效即模塊整體失效，由于并聯(lián)芯片連接于同一終端，基于模塊端部電氣特性參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測方法不能在模塊失效前對模塊內(nèi)部不均勻老化進行量化評估。

此外，受不平衡的溫度分布、電流分布等影響，基于平均結(jié)溫或平均殼溫的方法對模塊整體老化狀態(tài)的評估會偏離實際狀態(tài)。隨著日益增長的大容量電力電子裝置需求和不斷提高的應(yīng)用可靠性要求，甄選能夠表征多芯片并聯(lián)IGBT模塊不均勻老化狀態(tài)且更加便于監(jiān)測的老化特征參量變得越來越重要。

重慶大學(xué)的研究人員通過對比分析電-熱-磁等參數(shù)與老化狀態(tài)的映射關(guān)系和響應(yīng)靈敏度，提出一種可用于多芯片并聯(lián)IGBT模塊不均勻老化狀態(tài)監(jiān)測新的老化特征參量，為準(zhǔn)確的多芯片IGBT模塊準(zhǔn)在線、在線狀態(tài)評估提供支撐。

圖1 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通實驗平臺及測試原理

他們首先基于多芯片并聯(lián)焊接式封裝IGBT模塊穩(wěn)態(tài)等效電路模型，定性分析焊料層疲勞和鍵合線脫落兩種主要老化失效過程中模塊電、熱、磁特性的退化。其次，建立多芯片并聯(lián)IGBT模塊的三維電-熱-磁有限元模型，通過模型仿真得到模塊芯片焊料層老化和鍵合線脫落中電、熱、磁特征參量的變化規(guī)律。

研究人員在模塊老化規(guī)律研究中，通過仿真發(fā)現(xiàn)，不同于單芯片模塊，多芯片并聯(lián)模塊單個芯片焊料層老化時，老化芯片的結(jié)溫增幅較小并且功率損耗不斷減少。在芯片焊料層脫落時，他們對比分析結(jié)溫、殼溫、導(dǎo)通電流、功率損耗和磁感應(yīng)強度的相對靈敏度，發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強度對芯片焊料層老化的靈敏度最高，同時測量結(jié)果不受環(huán)境溫度的影響，并且在測量時可以避免與模塊的直接接觸，對模塊的正常運行影響較小，因此利用磁感應(yīng)強度變化監(jiān)測多芯片模塊內(nèi)部芯片焊料層老化具有較高的可行性和實用性。

研究人員指出，針對芯片鍵合線脫落，不論老化芯片的結(jié)溫、殼溫、電流、功率損耗還是模塊導(dǎo)通電壓在前期少量鍵合線脫落時均沒有明顯變化，但老化芯片剩余鍵合線產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度卻明顯增大。此外，在芯片上70%的鍵合線脫落的失效標(biāo)準(zhǔn)下，磁感應(yīng)強度變化具有33.9%的相對靈敏度，遠高于其他老化特征參量的相對靈敏度，更適合作為多芯片并聯(lián)IGBT模塊老化狀態(tài)監(jiān)測的特征參量。

本文編自2022年第13期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“多芯片并聯(lián)IGBT模塊老化特征參量甄選研究”。本課題得到國家重點研發(fā)計劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費和國家自然科學(xué)基金的支持。