[发明专利]基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法

说明书

本发明属于电力电子器件与装置可靠性技术领域，具体涉及一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法。安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率并标记初始值；器件投入使用后，定期测试IGBT器件的集射极饱和压降和焊料层空洞率并记录测量值；将测量值与初始值进行比较，根据比较结果判断IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率是否达到失效标准；当集射极饱和压降与焊料层空洞率未达到IGBT器件失效标准时测试值带入仿真模型中，计算出IGBT器件的疲劳老化进程与剩余寿命；当达到IGBT器件失效标准时，判定为器件失效并对IGBT器件进行更换。本发明直接用于IGBT器件的健康状态监测与可靠性评估。

技术领域

本发明属于电力电子器件与装置可靠性技术领域，具体涉及一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法。

背景技术

为满足国民经济发展中节能减排、低碳环保、开发绿色新能源的迫切需求，以及实现国防建设中武器装备跨越式发展的重大目标，采用各种电力电子装置对电能的产生、输送、使用进行高效变换与控制，已成为弱电智能控制强电运行，信息技术与先进制造技术相融合，传统产业实现自动化、智能化、节能化，以及海军舰船综合电力系统和新型武器系统中不可缺少的环节。

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为全控型电力电子器件的典型代表，已广泛应用于各种中、大功率电能变换装置。IGBT通常工作于PWM调制脉冲方式下，模块结温在连续脉冲反复作用下将会不断累积上升，经过一个逐步上升过程，最后进入周期性近似等幅波动状态，此时IGBT产生的功率损耗与散热装置的功率耗散能力之间达到平衡，结温近似保持恒定。当IGBT停止工作，或是负载、散热条件发生较大变化时，这种热平衡都将被打破，温度也将随之发生变化，直至进入新的平衡工作点或是冷却至环境温度。对于一般连续工作的电力电子装置，启动一段时间后，会保持相对稳定的持续工作状态，IGBT温度波动较小。然而，随着电力电子装置在风力发电、高速电力机车、以及海军舰船综合电力系统的储能模块、区域配电模块、新型高性能武器等场合的应用日益增多，IGBT逐渐广泛应用于城市轻轨、地铁、高铁，以及某些高性能电磁武器，如轨道炮等反复加速减速、启动停止的电能变换场合。在这些装置中，一方面IGBT的工作电压、电流等级高，产生的功耗使模块平均工作结温升高，另一方面由于反复加热、冷却，IGBT结温波动显著，通常平均结温在60～80℃，温度梯度在70～90℃左右，甚至更高。目前，大功率IGBT一般采用模块化封装结构，IGBT芯片通过铜层、焊料层、DBC陶瓷层等多层结构焊接在底板上。IGBT产生的功耗主要通过热传导方式垂直向下传递，最后被安装于底板的散热装置带走，在芯片与底板间由高到低形成一定的温度梯度分布。由于不同材料的热膨胀系数不同，在重复加热与冷却过程中IGBT模块各层材料受到热机械应力的反复冲击，达到材料的疲劳极限后会引起器件失效，严重时，将导致整个装置彻底崩溃。

IGBT器件疲劳失效，是指随着器件运行时间的累积，芯片和封装材料逐渐产生疲劳，可靠性逐渐下降，最终导致器件疲劳失效，IGBT器件疲劳失效模式包括芯片疲劳失效和封装疲劳失效。封装疲劳失效是指在电热应力作用下IGBT封装材料产生疲劳，随着封装疲劳程度的加剧，模块电气性能和现象表征发生变异，主要包括集射极饱和压降与焊料层空洞率逐渐增大，直至器件失效。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，可直接用于IGBT器件的健康状态监测与可靠性评估。

本发明提供了一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，包括下列步骤：

A.安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试经检测合格的IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率，分别标记为初始值V_ST和P_ST；