基于频率响应的igb模块内部缺陷诊断方法

基于频率响应的igb模块内部缺陷诊断方法

0igbt模块可靠性相关问题的提出随着能源电子普遍性的发展和制造技术的进步，绝缘电视偶联体（igdt）及其下属不受干扰的领域的开发和层次不断提高。除了在传统行业中应用小型能源设备外，它还开始在大型和特殊领域应用于能源发电、船舶能源推广、机车监控、航空航天动力系统等。上述应用领域的工况严酷并且有一个共同特点:对器件的可靠性有严格的要求。因此IGBT的可靠性问题成为国内外学者关注的热点,目前,这方面的研究方兴未艾。近年来,国内外的学者和研究人员对IG-BT模块的失效机理和可靠性问题进行了大量的研究工作,明确了IGBT失效的主要原因和模式,提高了IGBT模块的封装设计和制造工艺,从而整体上提高其可靠性。但现有文献中涉及IGBT模块在运行过程中可靠性衰退的研究较少,且所提出的方法都存在难以排除的因素,总体而言尚处在电力电子器件故障诊断阶段,主要是探索识别电力电子装置中发生故障的IGBT模块,从而遏制装置事故的扩大,但是这些方法只有在IGBT模块故障后才可能有效,因此从维护的角度而言现有IGBT模块故障检测方法比较落后,难以实现故障预测[10,11,12,13,14,15,16]。这其中的影响因素很多,最为关键的是IGBT模块的封装形式。目前,市场上能够买到的IGBT模块都是采用硬塑外壳密封好的,可以防潮、加强绝缘及抗氧化等,但其弊端是对获取可靠性衰退相关信息造成障碍:一方面难以植入传感器测量所需的参数,另一方面也难以开封检测是否存在缺陷。频率响应分析(frequencyresponseanalysis,FRA)法(以下简称频响法)主要用来判断电力变压器在诸如短路等故障后绕组是否变形,该方法的基本原理是:通过变压器绕组的分布参数,即电阻、电感及电容等元件所构成的电网络来分析其电路特性,发生短路故障时,短路电动力能够使绕组发生变形或位移,导致上述电网络中元件参数随之变化,所以可以利用频率响应分析绕组电路特性的改变来辨识绕组结构的变化。与电力变压器绕组变形或位移缺陷相类似,IGBT模块的失效也是在不断经受电热冲击和机械应力累积作用,内部结构逐渐发生变化,从而出现铝键合线断裂等缺陷的过程。因此,本文借鉴变压器绕组变形的频响分析法,提出了一种基于频率响应的IGBT模块内部缺陷诊断方法,该方法采用扫频信号检测与结构相关的寄生参数是否因老化而发生改变,可用于停机状态下IGBT模块内部缺陷的定检,为突破因IGBT模块的密闭封装而造成的可靠性相关信息缺失的困境,提供了一种可行的解决方法。文中对其工作原理和性能特点进行了详细的分析,并选取频响谱线的差值均方根作为诊断依据,最后对该方法的正确性和实用性进行了验证。1工作原则1.1igbtchp硅片封装IGBT模块是一种同时具备金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldtransistor,MOSFET)驱动特性和双极型晶体管(bipolarjunctiontransistor,BJT)功率特性的复合器件,能够在高阻断电压和高开关频率的条件下导通大电流(6.5kV/3.6kA),是目前最具发展前景的电力电子器件之一,已获得极为广泛应用。其核心部分是IG-BT硅片(Chip),由不同数量的原胞组成,其中PT(punchthrough)型原胞的结构如图1所示,与此对应的寄生参数和等效电路如图2所示,图中CM表示门射极之间的金属化电容,COXS表示门射极之间的氧化电容,COXD表示门漏极之间的交叠氧化电容,CGDJ表示门漏极之间的交叠耗尽层电容,CDSJ表示源漏极之间的交叠耗尽层电容,CCER表示集射电极之间的重分布电容,CEBD与CEBJ分别表示基集电极之间的扩散电容与耗散电容,RB表示基极电导调制电阻,其中部分寄生参数会因老化造成的材料和结构改变而相应发生一定的变化。由于受IGBT硅片导通电流能力的限制,目前商业化的IGBT模块通常采用多硅片并联的方式和铝键合线连接技术,以增大处理功率的能力,如图3所示,图3中半桥封装IGBT模块的上下IGBT器件皆由2个IGBT硅片并联构成,其中每个IGBT硅片的发射极都是通过6根铝键合线实现与外部端子的电相连。虽然这样可以提升模块通流能力,但另一方面却会对模块的可靠性带来不利影响,在某些特定的应用中可能演变成为关键制约因素,例如在结温波动比较剧烈的场合。1.2igbt模块研究表明IGBT模块的失效可以大致分为内部和外部2种模式。内部失效与半导体材料有关,表现为绝缘击穿、热载流子注入和电子迁移等,其原因是模块内部的非正常强电场或局部高温;外部失效与模块的封装工艺有关,表现为铝箔金属重构、铝键合线断裂与脱落、焊料层开裂等,主要是由功率循环、热循环和组成IGBT模块材料的热膨胀系数(coefficientofthermalexpansion,CTE)不一致所致,如图4所示,图4中各种材料的CTE见表1。结合图4和表1,可以很容易看出在IGBT模块的内部有2个界面组成材料的CTE差异显著,容易产生应力集中,其中一个是铝键合线与硅片的结合点;另一个是基板(directbondedcopper,DBC)与底板的焊料层。实际运行过程中,在无法避免的热冲击作用下,如功率波动、短路等,会出现铝键合线从硅片脱落或断裂以及焊料层的开裂,成为IGBT模块失效的主要原因。IGBT模块失效要经历电、热应力作用下损伤逐渐累积的过程,在模块完全失效及故障前,内部会出现一些缺陷,如DBC开裂和铝键合线脱落等,如图5所示,此时IGBT模块仍可运行,只是与完好模块相比发生故障的可能性大大增加,若能及时检测出存在缺陷的模块而替换掉,则可以有效降低模块的故障率和减少损失。但由于商业化的模块一般出于抗氧化等原因都是密闭封装的,无法直接开封检测内部是否出现缺陷,因此研究检测IGBT模块内部缺陷的方法具有一定的应用价值和学术意义。1.3igbt模块的等效电网络模型与变压器绕组变形分析相似,本文所提出的频响法考察的是断态时IGBT模块中与结构相关的寄生参数的变化,基于此反向推断其结构是否变化,进而判断是否存在因老化造成的缺陷。相对于IGBT硅片而言,模块的等效电路模型除包含硅片内部的寄生参数之外,还需考虑由封装带来的寄生电感影响,与图3所示IGBT模块对应的等效电路如图6所示,图中V1-CHIP1、V1-CHIP2表示构成IGBT器件V1的两并联IGBT硅片,V2-CHIP1、V2-CHIP2表示构成IGBT器件V2的两并联IGBT硅片,LwX表示IGBT硅片发射极铝键合线的杂散电感,符号中X用于区别不同的IGBT硅片,X=1,2,3,4分别对应V1-CHIP1、V1-CHIP2、V2-CHIP1、V2-CHIP2硅片,C1、G1、E1、KelvinE1分别表示IGBT器件V1的集电极、门级、发射极和辅助发射极端子,C2、G2、E2、KelvinE2分别表示IGBT器件V2的集电极、门级、发射极和辅助发射极端子。尽管铝键合线寄生电感的数值比较小(nH),但是在IGBT模块的组成元素中发挥关键电联结作用,直接决定IGBT模块的整体电路性质,影响不容忽视。因为图6所示IGBT模块的等效电路模型中包含的寄生电容参数与结电压密切相关,具有很强的非线性特征,因此只有在同等偏置条件下才有对比性。针对本文所提出的方法,同时为方便现场测试,这里选择零偏置即集射极开路时,用图7所示的反映模块内部结构参数的寄生元件所组成的简化电网络,来分析IGBT模块的电路性质,图7中CGE表示IGBT硅片门射极寄生电容,CGC表示IGBT硅片门集极寄生电容,CCE表示IGBT硅片集射极寄生电容,其他符号含义同图6。对于特定模块的上述寄生电容在集射极开路时的参数值在出厂后是确定的,但在运行过程中会受绝缘击穿、热载流子注入及铝键合线脱落等老化因素的影响而发生变化,因此可以采用频率响应法来考察IGBT模块在集射极开路时电路性质的变化,分析结构变化,推断是否存在内部缺陷。通过在门极与发射极辅助端子之间施加一定频率范围的扫频激励信号Uin,同时采集集射极端子之间的响应Uout得到其等效电网络的增益谱线,如式(1)所示式中k表示采样点,k=1,2,…,N。不同谱线之间的差别,本文采用式(2)所表示的同频点响应差值的均方根E来表示,式中Xk、Yk表示2条不同运行时期谱线的采样点序列实际应用中,可采取纵向比较的方式,即利用同一IGBT模块在不同运行时期测得的谱线与其投运前记录的原始谱线之间差异作为判据,诊断模块内部是否存在缺陷。上述方法可以突破IGBT模块密闭封装对评估其可靠性衰退的限制,而且简便易行,便于现场测试,具有一定的比较优势。2性能分析2.1igbt器件集成描述通常,在IGBT模块内部每个单管基本是一致的,因此这里采用图3所示IGBT模块的上管分析其等效网络的传递函数,考虑详细寄生参数的电网络如图8所示,图8中RGX表示IGBT器件门极铝键合线的寄生电阻,同样CGEX表示IGBT器件门射极寄生电容,CGCX表示IGBT器件门集极寄生电容,CCEX表示IGBT器件集射极寄生电容,LGX表示IGBT器件门极铝键合线的杂散电感,LWX表示IGBT器件发射极铝键合线的杂散电感,RGX表示IGBT器件发射极铝键合线的杂散电阻,LEKX表示IGBT器件发射极辅助引线的杂散电感,REKX表示IGBT器件发射极辅助引线的杂散电阻。符号中的X表示同一IGBT器件中不同的IGBT硅片,与图6中一致,U1表示在门极与发射极辅助端子之间施加的激励,U2集射极端子之间的响应,C、G、E、E、K分别表示IGBT器件的集电极、门级、发射极和辅助发射极端子。此外,由于在IGBT器件内部,2个并联IGBT硅片对称分布,故为简化其传递函数,这里只选择其中的硅片1,如图8中虚线所示,建立集射极零偏置时IGBT模块的小信号传递函数为2.2不同参数对网络频率响应的影响在IGBT模块老化过程中,因电、热应力导致的铝键合线脱落等局部缺陷会导致式(3)中电阻、电容、电感参数的变化,甚至是网络结构的变化,例如图6所示的模块上管中联结硅片1发射极的铝键合线全部脱落,则其等效电网络会发生结构性变化,如图9所示,在相同门极激励U1作用下集电极响应U2会发生显著的变化。为了评估不同参数的变化对网络频率响应的影响,由式(3)所示的传递函数,可得到幅频响应的表达式为目前,式(4)中参数的准确数值厂家并未给出,通常情况下IGBT模块内部的杂散电阻为mΩ级,杂散电感为nH级,寄生电容为nF级,在2.2MHz范围的扫频信号范围内,电感和电阻与电容相比,阻抗相差大约103,因此定性判断对幅频响应影响较大的是寄生电容参数的变化。为分析不同参数的影响,本文利用Ansoft软件建立了实验样品3D模型,如图10所示,提取了上述寄生参数的数值如下:RG=32mΩ,LG=37nH,RW=3.1mΩ,LW=3nH,CGC=6nF,CGE=13nF,CCE=4nF。图11给出了LW和CGE变化时幅频响应变化的大致趋势,从中可以看出只有杂散电感和电阻变化时,变化不明显,但是杂散电容变化时,变化显著(图中与)与理论分析符合。3igbt模块的频响测试方法为验证上述方法的有效性,本文采用图3所示的特殊开封模块作为样品,人为制造特定的缺陷,其型号为2MBI150U4H-170,由富士公司提供。实验通过逐根剪断连接模块上管硅片1的6根铝键合线,来模拟在实际运行或功率循环实验中最易出现的铝键合线断裂缺陷,虽然这种逐根剪断铝键合线的方式可能与实际的铝键合线断裂情况不一致,但是这里仅用来分析铝键合线断裂缺陷对IGBT模块幅频响应的影响,与具体断裂方式无关,所以上述出入不影响实验结论。实验采用3120频率分析仪(Venable公司),施加0~2.2MHz的扫频信号到IGBT模块门极和发射极辅助端子间,并采集其集射极端子之间的响应,如图12所示。此外,对于已装配好的功率电路,在拆除层叠母排和门极驱动电路后,即可将IGBT模块孤立出来进行频响测试。目前,层叠母排一般采用螺栓连接,门极驱动电路多采用插接端子,非常容易拆除。尽管本文仅对上述特定IGBT模块进行了实验研究,但目前商业化IGBT模块基本上都采用与该模块相同的封装结构,差别仅在于并联或串联的硅片数量不同,因此本文实验研究结果具有普遍意义。3.1igbt模块内部缺陷检测因为工艺水平的限制,实际IGBT模块的特性不尽相同,表现出一定的分散性,即同型号、同批次的IGBT模块,其寄生参数也可能不相同。所以,采用纵向频响分析比较合理。在纵向频响分析中,采集同一IGBT模块在相同测试条件下、不同运行阶段的谱线,同参考谱线或邻近谱线相比较,得到其差值均方根E的变化,进而判断IGBT模块内部是否存在缺陷。因条件的限制,在实验室环境下难以模拟IGBT模块的寿命历程来获取其不同状态下谱线的变化。本文采用人为剪断的方式模拟实际运行中的发射极铝键合线断裂,并以剪断数目对应IGBT模块运行过程中的不同状态,结果如图13所示。从图13中可以看出,在剪断1~5根样品模块上管硅片1射极铝键合线时,幅频响应的变化很小,因为这仅改变了等效电网络中的杂散电感和电阻,直到第6根铝键合线被剪断,硅片1失效,等效电网络的结构被改变,如图9所示,等效寄生电容发生变化,对应的幅频响应也产生显著变化,在变化趋势上与理论分析基本一致。不同缺陷状态下谱线差值均方根如表2(参考谱线为铝键合线剪断前测得的谱线)所示。可以看出:首先,铝键合线断裂对谱线差值均方根数值变化有一定影响,因此,谱线差值均方根可作为诊断判据;其次,频响法所得结果具有很好的可重复性,在不同时间测得的谱线误差均方根很小,仅为0.0023(表2中0根铝键合线剪断时的谱线与参考谱线比较),而出现铝键合线断裂后谱线差值均方根均>0.1;最后,当铝键合线断裂数目达到IGBT硅片失效水平时,对应的谱线差值均方根达到5.4,发生显著变化(数量级),大约是测量误差均方根的2000倍,且是邻近测量谱线差值均方根的38倍,已能够可靠地断定IGBT模块内部缺陷已经达到一定程度,此时尽管IGBT模块仍可运行,但是性能已经显著降低,若及时替换,即可防止误判又可避免由IGBT模块故障导致的装置受损。因此,在实际装置定期检测中,若实测得的IGBT模块的谱线差值均方根与测量误差均方根的比值>103,且与邻近测量谱线差值均方根的比值