[发明专利]IGBT模块键合线断裂在线监测装置、监测方法和应用

说明书

IGBT模块键合线断裂在线监测装置、监测方法和应用，测量半桥结构中，动作器件关断过程中互补器件的门极电压，通过和预先设置好的阈值比较得出IGBT模块键合线的断裂情况，包括如下步骤：步骤一：研制IGBT模块键合线断裂的在线监测装置，并与处于半桥电路中的IGBT模块相连；步骤二：建立IGBT模块健康状态时V_GE随负载电流变化的基准值；步骤三：建立键合线断裂后IGBT模块V_GE随负载电流变化的失效阈值；步骤四：启动IGBT模块在线监测装置，按照预定流程工作；步骤五：得出IGBT模块运行状态。

技术领域

本发明属于半导体器件技术测量领域，具体涉及一种适用于IGBT模块键合线断裂的监测装置、方法和应用。

背景技术

电力电子变换器在电动汽车、风力发电、直流输电等工业界得到了广泛的应用。电力电子变换器长期运行过程中，在故障发生之前识别性能退化的元件，是状态监测的主要目的，对电力电子器件进行状态监测是提升变换器可靠性的有效手段。绝缘栅双极晶体管(IGBT)由于结合了金属-氧化物场效应管的高开关速度以及双极结型晶体管的低导通损耗等特点得到了广泛地应用。在高压大功率的电力电子变换器的场合，例如风电变流器、牵引变流器、高压直流输电等，为提高通流能力，通常使用由多个IGBT、二极管芯片并联而成的多芯片并联IGBT模块。键合线断裂是IGBT模块的主要失效模式，对于多芯片并联的IGBT模块，由于芯片数量冗余并不会造成模块的失效。因此，键合线断裂引发的芯片失效成为多芯片并联IGBT模块状态监测的前兆失效特征。

在IGBT模块的键合线断裂状态监测方面已开展了较多研究，从监测量信号看来可分为电气量与非电气量。非电气量监测方法有热脉冲涡流成像、振动位移测量等，需要特殊的测量装置不合适在线监测应用。IGBT模块的键合线断裂会改变回路电阻、杂散电感以及电容分布等，利用电气量监测的本质是电路参数的辨识，即特征电气量的变化反应由键合线断裂引起的电路参数变化，电气量的激励源越大，相应地辨识精度越高。

现有技术，如中国专利申请，其申请号：CN2019104842800，公开号：CN110221189 A公开一种IGBT模块键合线在线状态监测的方法，包括如下步骤：步骤一：搭建全桥逆变器电路以及VCE在线测量电路，将VCE在线测量电路的两输入端接在全桥逆变器电路的IGBT功率模块的集电极和发射极，实现全桥逆变器电路与VCE在线测量电路的连接；步骤二：建立健康IGBT的三维数据模型；步骤三：建立键合线断裂的IGBT三维数据模型；步骤四：采用遗传算法优化最小二乘支持向量机；步骤五：利用优化后的最小二乘支持向量机对步骤二和步骤三得到的三维数据模型进行状态评估。

中国专利申请，其申请号：CN201910825141x，公开号：CN110632490 A公开一种IGBT模块状态监测装置及方法，该装置包括IGBT模块、栅极开通电压过冲监测模块、驱动电路、键合线状态判断模块和信号采集模块，通过将监测的实际栅极开通电压过冲与预先设定的参考栅极开通电压过冲阈值进行比较，得出键合线断裂的情况。

中国专利申请，其申请号：CN2020102863307，公开号：CN111398766 A公开一种IGBT模块健康状态在线监测方法及系统，根据并联IGBT模块中各IGBT模块的集电极电流值确定异常IGBT模块；提取各所述异常IGBT模块的集电极电流值，并与正常IGBT模块的集电极电流的测量值中的最大值进行比较，获得各所述异常IGBT模块的电流不平衡率；根据所述并联IGBT模块中各IGBT模块的外壳温度确定IGBT模块的异常类型；对于任一所述异常IGBT模块，将所述异常IGBT模块的电流不平衡率及其外壳温度带入到并联IGBT健康状态检测模型中，并根据所述异常IGBT模块的异常类型确定所述异常IGBT模块是否失效。