基于近似熵分析和小波变换的IGBT模块键合线故障特征分析.doc

重庆大学硕士学位论文基于近似熵分析和小波变换的IGBT模块键合线故障特征分析姓名：沈刚申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：周雒维20120519 锄 琣 “琣 体 可靠性方 面 尚存 在很大 的不 足。 伴 随 风 力发 电 产 业的 迅 猛 发 展， 在可靠性方 面将面 临 更为 严 峻 的 局 势 ， 这 无疑 将对 电 网 的 安全 运 行形 成 严 重的 威胁 。 统 计 表 明 ，风 电 系 统 的故 障 主 要集中于 传 动 和 电 气部 分， 根本 原因在于 风 速 、风 向 的变化频繁 以 及其难以 预测 的特点， 使得 风 机 的输出功率 剧 烈 波 动 ， 致 使风 电 系 统 中实现电 能转换的 电 力电 子 变流 装 置工 作在非 平 稳 状 态 。 在持 续的 巨 大热 冲 击作用下 ，变流 装 置中电 力电 子 功率 器 件的 老 化进 程将得 到 显 著的加速 ， 致 使在常 规 应用中原本 可靠的变流 装 置变得 极 为 脆 弱 ， 这 在很大 程度 上制 约 了 风 力发 电 整 体 可靠性的提高 和 远 期 规 划 的落 实， 成 为 发 展的 瓶颈。 因此 ， 提高 电 力电 子 变流 装 置的 可靠性已成 为 在电 力系 统 中推广 新能源并 网 发 电 的一 个 亟待 解 决的 关键问题 。 。 当前 ， 一 方面 电 力电 子 变流 装 置的 可靠性问题 在世界 范 围 内己引 起广 泛关注 ， 而不仅 仅 局 限 于以 风 能为 代表 的可再生 能源发 电 领 域 。 另 一 方面 ， 功率 器 件的 可靠性问题 也 一 直是国 内外 学 者研 究 的重点， 原因就 在于 器 件制 造 水 平 的提高 和 变换技术 的 进 步， 对 于 拓展电 力电 子 装 置在可 靠 性需 求较 高 领 域 的 应用具有重要 的 意 义 。对 于一 般的 电 力电 子 装 置， 通常 是由 多 个 电 力电 子 变流 器 构 成 的级联、并 联或 混 联系 统 。 多 变流 器 系 统 在输入 输出功率 变化的过 程中， 由 于处理功率 的波 动性， 工 作环 境 的变化， 导致 变流 器 电 、热 应力不 均衡 ， 会 对 变流 器 的运 行状 态产生影 响。 变流 器 的运 行状 态发 生变化， 并 不 一 定 意 味 变流 器 装 置的 损 坏 。 如 果 能够 根据 变流 器 运 行状 态实现 状 态维修而不 是故 障 后 停 机 或 定 时 停 机 维修， 同 样 有利于 极 大地提高 系 统 可靠性。 如 一 旦 发 现 功率 器 件出现 异 常 迹象 或 这 种迹象 具有发 展趋势 ， 就 可认 定 该 器 件具有发 生故 障 的 可能并 在故 障 发 生早期 采 取 相 应措 施， 本 课题主 要 针 对电 力 电 子 装 置可 靠性 评估 中 ， 电 力 电 子 器件 可 靠性 参 数的 检测 展 开研 究 。 从 理 论 上 讲 ， 电 力 电 子 器件 的 可 靠性 退 化 过 程 ， 是一 个 在电 、热 老化 作 用 下 的 一 个 渐进过 程 ， 应 该 有很 多 的 参 数可 以用 来 表征 该 过 程 的 进度 。 然 而，已 有研 究 成 果证 实 可 被 利 用 的 参 数都 受 到 多 种 因 素的 制约 或 干 扰 ， 研 究 和 开发 有效 检测 方 法 是实 现可 靠性 评估 的 基 础和 前 提。 为 此 ， 本 课题将 小 波 理 论 、近 似 熵理 论 引入到 电 力 电 子 器件 可 靠性 参 数检测 中 来 ， 目 的 是开发 一 种 能 够 应 用 到 电 力进行预 防 性 器件 更换 ， 其缺 点是， 如果盲 目 的 更换 ， 无 疑 将 增加生产 成 本 。 有鉴于 此 ， 作 为 电 力 电 子 装 置核 心组件 的 的 可 靠性 问题， 无 论在学 术 界 ， 还 是工程 领 域都 已 引起 极 大的 关注 【 。 目 前 ， 国 内 外 对电 力 电 子 变 流 装 置的 可 靠性 研 究主 要 集中 在两 个 层次上 ：从 变 流 装 置整 体 可 靠性 研 究 出 发 ， 目 前 的 研 究 多 集中于 根据 变 流 装 置的 输出 信 号 ， 采 用 神经 网 络 、数据 挖 掘等 人 工 智能 方 法 识 别出 故 国 内部 分， 在 文 献 中 ， 探 讨了 工 作 在 功 率 循环状 态 下的 模块 由 于 各层 热膨 胀 系数 的差别 ， 层 与层 之间 产 生 热应 力将 诱 发 模块 失效 。文 献 讨论了 半 导 体器件主 要 失效 机理， 其 中 文 献 简 单 的给出 了 一些失效 结 论 ， 分析了 电力半 导 体器件受 损 后 的化 学 机理。文 献 研究 了 在 过 电流的状 态 下， 动态电流和 电压 的变 化 规律 ， 提出 了 的极 限电流和 极限功 耗 的识别 方法 ， 并 阐明 模块 键合 线 可 靠 性 研究 现 状 键合 线 可 靠 性 的影 响 因素压 焊接技术 也 不 会产 生 杂质 微 粒 而 影 响 后 续 封 装 工 艺。键合 线 的可 靠 性 主 要 受 以 下几个 方面的影 响晗 ： 作 用而 产 生 机械 振 动， 从 而 也 会对互联的可 靠 性 造成影 响 。 键合 线 的疲 劳 寿 命 模型 剩 余 循环次 数 模型 巍 边 莏 蜓 诽匦 、 加 载频 率 、 温 度、 腐蚀介质 及 加 工 时 热处 理条 件等 因素 影 响 。 关 于 裂 纹疲 劳 扩 展模型的帕 里 斯公式 是 目 前 应 用得 最为广 泛 的， 其 表 达 式 满 足 式 ：将 代 入 ， 两 边做 积分运算 得 ： 击 币 薪 进 而 可 求 得 尺 寸为 的初 始裂 纹， 经 次循环后 的裂 纹尺 寸为 ： !猨 漭 而 等 效 的应 蛮强 度因子 表 达 式 为：并 可 将 裂 纹尖端 附 近 的应 力应 变 因子 近 似 替 代 为裂 纹尖端 处 的。分析表 明当再由 关 于 裂 纹疲 劳 扩 展模型的帕 里 斯公式 可 得 ：、计 算 裂 纹增长的流程 图如 图 所示 。 显 然， 由 于 模块复杂 的实际运行 工 况 ，上 述理想 化的键 合线 可靠 性分析不足 之 处。文 献 提 出 在 通 过 小 集 电 极 电 流 的前提 下， 若其 饱 和 压 降升 高 主 要 研 究 内容 及 思路 通 过 对 未 塑 封 次 垂 嘧 杞 杭 胺 飧 的 模 块进行 人 为 的键 合线 挑断 以 模 拟 模 块因恶劣 工 况 或 正 常老化而 导 致的键 合线 脱 落 故障； 通 过 对 芯 片 发 射 极 处键 合线 的全部 挑 断 而 导 致的芯 片 脱 离 运行 以 模 拟各 种原 因导致的芯 片 故障。对 模块进行 了开关特性测试， 比 对 了在键 合线 处于 不同 故障程 度 下栅极 电 压 的变化趋势 。 模块及键 合 线 故障 分析 模块 及键 合 线 故障 分析 的基 本 结构 和 工 作原理大电 流 、低导 通 压 降 的特 点， 是 一种 适用 于 大、中功 率 应 用 的电 力电 子器 件。 作为 功 率 的一种 副 产 品 ， 于 年 研发成 功 ， 此 后于 年 开始 正 式生产 。多 年 来 伴 随 制造 工 艺 及性 能 参数 的提升， 在 导 通 压 降 、功 耗、芯片面积 、关 断 时 间等 特 性 上 得到 了 很 大的提高。 目 前 己由第 沟 降 代 技术 ， 如 表 所 示 。 模块及键 合 线 故障 分析图 内部 结构 断 面 示 意图 电 容 两部分 组成 ， 整 体大 小 受 到集电 极 发 射 极 间 电压 的 影 响多 晶 硅栅极 的 电 阻 ， 在 多 芯片 并 联 的 模 块 中， 常 常 还 模块及键 合 线 故障 分析所 需 的 栅 极阈值电 压 时 ， 进 入 正 向 导 通状 态 ， 电 子从 发 射 区 经 反型 沟 道进 入 魄 牡缀蚇漂 移 区 之 间 的 结 处 于正 向 偏置 状 态 ， 空 穴将 从 衬 底 向 魄 搿 孀 诺缌髅芏 鹊 脑 龃 螅 朐 亓髯 优冉 岽 蟠蟪 齆 。漂 移 区 的 低掺 杂 浓度 。 在 电 导 调制效 应 的 影 响 下 ， 漂 移 区 电 阻 减 小， 从 而使 得 的 正 向 压 降 变 得 比 更 低， 通流 能力 也 变 得 更 强 。 的安 全 工作 区七 模块及键 合 线 故障 分析图 过电压 示 意 图 模块及键 合 线 故障 分析 的过电流 类型 大致 可分为 过载过 电流 与 短路 过电流 两 种 类型 。图 典型 短路 波形 模块及键 合 线 故障 分析此过 程 与 上图 中的赴 如 阶段类似 ，只 不 过 此时 是 由 正 常 导通 状态 进 入寄生 电感 的存 在 ，“ 也将 出现短 暂 的上升 过 程 。 模块及键 合 线 故障 分析约 镜 耐 阋怨 餐 钩 蒁 层。电 过 应 力 一图 模块的失 效 因素 构 成 功率模块多层 次结 构 的 特 点 以 及各 层材料 间 热 膨 胀系 数的 不 同，使得 当 模块及键 合 线 故障 分析 ， 模块及键 合 线 故障 分析 关断 波 形 毛 唬 琽 叫 现 一 段 拖 尾 电 流 。 栅射 极 电 压 将 继 续按 式 的 规 律 变 化。 模块及键 合 线 故障 分析线 故障 及并联 芯 片 故障 均 会在 此 阶段 特性 的 变 化 上 得到 体 现 ： 模 块 及键 合 线 故障 分析 模 块 开关 特性 测 试 电路 模块 及键 合 线 故障 分析 鷆 狭 根 键 合 线 后 的 栅极 电压 信 号 礏登一整 模块及键 合 线 故障 分析 本 章以实现 模 块 键合 线故障前后 信 号 序列 中 有 效 特 征 的提取 为目 标 ， 考年从衡 量 信 号 序列 复 杂性 的 角 度提出 的 ， 用于度量 信 号 中 产生 新 模 式 概 率的 大小 。若 信 号 产生 新 模 式 的 概 率越大 ， 表 明序列 的 复 杂性 越高 ， 对 应 近 似熵值就 越大 。近 似熵利用一 个非 负数 来 达 到表 示 的一个时间 序列 复 杂性的目 的， 越复 杂的 时间序列 对 应 的近 似熵越大 ， 越规 则 的时间 序列 对 应 的近 似熵则 越小 。 实际 上 ， 近 似熵的 计 算 也可理解 为求 取 一个时间 序列 在模 式 上 的自相 似程 度。 因此 对 于一 个信号 序列 的变化， 如本 文 中 键合 线故障前后 的栅极 电压信 号 ， 可以利用近 似熵值的改 变达 到有 效 识 别的 目 的。 近 似熵的 计 算 最 大的优点 是不 需 要很长 的数 据量 ， 多数 实测 的 时间 序列 都能 够满 足要 求 ， 得 到的 结果 稳 健可靠 ， 因而 近 年来 在时间 序列 分 析领 域 中 得到越来 越广 泛 的应 用 翰癩 。其 中 滓 。 ， 琁 马 一 给定 阈 值 悦恳桓鰂 值统 计 玦 冢 瑋的数 目 及此 数 目 与 距 离 式： 将维数 加 湮猰 ，重复 以 上 步 骤 ，得 到 ” 。 求 得 信 号 序列的近 似熵为 ： 肌的标 准差 。此 时， 值 对 的依 赖 程度 最 小，即满 足 ： ， ， 二 镰 怎 五图 近 似熵的物 理本质 相关分 析研 究表明 ， 近 似 熵运 用于信号 分 析具 有以下 的 特点 ： 近 似 熵具 有较好的 抗 噪及抗 干 扰 的 能 力。因 为产 生这 类 干 扰 的 数 据点 所具偏 差。目 前 ， 已有不 少改 进 型 的 近 似 熵算 法 得到提 出。 近 似 熵算 法 特性的 仿 真 近似 熵在 键 合线 故障诊断中的 应 用 悠 荡 的 近似 熵值 则较 小 。经 小 波包 分 解后 各 子频带上的 近似 熵值键 合线 断裂 根 数 原信 号近似 熵值 ： 鸬 罹 鼙 诒芑室 領卫 菟 鼙 谔 没 实 塑 也型 望 垒 芑室 钣 憷菟 芗综 上分析 可 见 ，采 用 近似 熵对 键 合线故 障前后 的 信 号 进 行 分析 时 。 呈 现出 了以下的 变化 规 律：对 于 状 态类 型 即 单 元 中出 现键 合 线故 障 且 两并联芯 片 均导 通工 作 时 悠荡 的 近似 熵值 具有较好 的 故 障 表 征 效 果； 而对 于 状 态类 型 即当 两块并联芯 片 中的 一 块因其射 极 舷叩 耐 耆 狭 讯 牙牍 魇 ，直接对栅极电压 信 号 进 行 近似 熵求取就 能得到很 好 的 故 障 表 征 效 果。 总结 计 算的 效 率 。 基于 小 波 变换的 故障 信号分析喊 譬 将 基本小 波 作 伸 缩和 平移 后 ，对 于 连 续 的 情况，可 得到函 数 族 ： 冢 厂海其 中 符号木 表 示 取共轭，共逆变换为：个 时间 轴 上 的函 数 信号进 行分析 。 在 实际应 用中 ，为方 便 使用计 算 机 进 行分析 处换为离散 小 波 变换。此 时，对 应 的 离散 小 波 变换即 为：重 构 公 式 为勺。称 为二 进 小 波 。 宽 度。 消 失矩 阶 数 的 不同对 数 据 压缩 和 特 征 提 取 都是 有 影 响 的 。消 失矩 越高 ，就 会矩 和 支 撑 长 度上需 要 折中 考虑 。实际使 用中 ，几 种常用 小 波函 数 如下 图 所 示： ；氏如山 骸 ! ! ! ! ! 9恪 ! ! ! ! ! ! ! ! ! 猅 广 、图 并联 芯 片 故障 前后的对 比 分 解结 果 上 图 中 T 夹 藕牛 琣 5 层分 解尺度 上 的低 频 重构 信号 ， 为第 阛 作 为公认 的奇异值分解理论 的创始人， 于 年 率先提出 奇异值 分 蹭 ， 号 进行相 空间重构获 取、可通过小 波 分解 求 取所 有 蚰 承 分解 层上 的小 波 系各他” 、，、，螅畄躺虢数 断根曼 基于 小 波 奇 异熵 理 论 的故障特征 提取熵最早 是由热 力学 中 引入的物理 概念 。 年 ， 贝 尔 实验 室 的 甋 创 立 了 信 息 论， 从 而 对熵 的概念 有 了 新 的解 释， 香农 认为 信 息 是人 们对事 物了 解的不 确定 性 的消 除 或减少 ， 他 把 通讯 过 程中 信 源 讯 号 的平 均 信 息 量称 为 信 息 熵 ，现在一般称 之 为 香农 熵 ， 开始 了 信 息 熵 的实际应 用 ， 从 此 对信 息 熵 的研 究 ， 随着信 息 科 学 的发展而 得 到不 断 的推 进。 瑌 对奇 异值向 量 笕 阶的 小 波奇 异熵 ，将其 作 为 不同 类 型键 合线 故障的 特征 量。表 小 波 雡 分 析结 果 比较 压 的 小 波奇 异熵 值将出 现正 的 变 化 率 。因 此 ，经小 波奇 异熵 分 解后不仅将原始 信号 进行了最大 限度 的 数 据 量压 缩 ，而 且 根据 其小 波奇 异熵 值的 相对变 化 率 ，实 现了对 模 块键 合线 及并联芯片 故障的 特征