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絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是由雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor, BJT）和絕緣柵型場效應(yīng)管（MOSFET）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor, GTR）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。

IGBT模塊內(nèi)部封裝了多只IGBT和二極管芯片，芯片間通過鍵合線連接并匯流到模塊端子。實際應(yīng)用中，芯片的性能差異會逐漸累積放大并最終導(dǎo)致通流、耐壓、傳熱等特性異常，外在表現(xiàn)為器件功能性降級或失效。IGBT模塊安全可靠運行的前提是預(yù)防、檢測以及執(zhí)行保護措施。

由于IGBT模塊特別是高壓大功率模塊工作條件惡劣、運行參數(shù)復(fù)雜、系統(tǒng)雜散參數(shù)多變，IGBT的缺陷診斷遇到很大障礙，且模塊內(nèi)部不易放入測量裝置，實時監(jiān)測雜散參數(shù)幾乎不可實現(xiàn)。IGBT的失效主要有過電壓失效、過電流失效、功率或溫度循環(huán)失效。

過電壓失效產(chǎn)生的主要原因是VCE過電壓、柵極過電壓、浪涌電壓以及靜電等因素；過電流失效主要與短路、散熱不良、開關(guān)頻率驟變有關(guān)；功率或溫度循環(huán)失效主要是溫度變化較快導(dǎo)致的。

這些失效廣泛存在于IGBT的應(yīng)用場合，器件整體失效表現(xiàn)較為明顯，但是內(nèi)部芯片部分失效或缺陷卻難以觀測。

由于大功率IGBT模塊制程和封裝具有很高的技術(shù)要求，模塊內(nèi)部特性參數(shù)作為廠家的技術(shù)核心，不會公布較多細節(jié)。從模塊內(nèi)部芯片和焊接線的保護方案，廠家都沒有提供。另外，大功率IGBT應(yīng)用條件復(fù)雜，工作特性體現(xiàn)較大的多樣性，器件廠家和系統(tǒng)供應(yīng)商一般只給出通常應(yīng)用系統(tǒng)級的保護措施，無法給出一種適合裝置系統(tǒng)和器件本體的保護方案。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出了一種對IGBT模塊本體做出器件級的保護的先導(dǎo)判據(jù)，通過辨識模塊內(nèi)部芯片和連線的寄生參數(shù)，找出雜散參數(shù)變化導(dǎo)致的外特性改變，從而提早發(fā)現(xiàn)IGBT的缺陷和失效風(fēng)險。構(gòu)建了多芯片并聯(lián)封裝IGBT模塊內(nèi)部雜散參數(shù)的柵源通道回流數(shù)學(xué)模型，分析了鍵合線參數(shù)、芯片布局、柵源電容與門極電阻等影響因子對先導(dǎo)判據(jù)的影響，利用最小二乘法對上述雜散參數(shù)進行辨識，達到通過外特性準確反映內(nèi)部參數(shù)的變化特性，最終實現(xiàn)IGBT模塊內(nèi)部缺陷與失效的前期判定。

圖1 IGBT參數(shù)辨識實驗原理

圖2 IGBT參數(shù)辨識雙脈沖實驗電路

研究人員通過仿真和實驗，比對不同故障下的雜散參數(shù)變化分布情況，驗證了該方法對英飛凌高壓大功率IGBT內(nèi)部故障類型與故障程度判斷的有效性。

芯片故障時輸入電容參數(shù)減小，柵極電阻和雜散電感參數(shù)增大。當柵極電阻與雜散電感參數(shù)增加10%以上，輸入電容參數(shù)減小10%以上時，說明內(nèi)部鍵合線多數(shù)脫落或斷裂，也可能是IGBT元胞芯片自身故障，系統(tǒng)故障隨時發(fā)生，器件應(yīng)當立即維修或更換。當柵極電阻與雜散電感參數(shù)增加小于10%，而輸入電容參數(shù)變化不大（不超過2%）時，說明內(nèi)部可能發(fā)生了少量鋁鍵合線的故障，系統(tǒng)有故障風(fēng)險，器件本體應(yīng)當降級運行或者維修。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2，論文標題為“多芯并聯(lián)封裝IGBT缺陷與失效先導(dǎo)判據(jù)”，作者為黃先進、凌超、孫湖、游小杰。