不同工作模式下的IGBT模块瞬态热特性退化分析

河北工业大学电气设备可靠性与智能国家重点实验室研究员刘向祥、李志刚和方耀在2019年《电气技术》杂志增刊2上发表文章，研究不同工作模式下绝缘栅双极晶体管(IGBT)的热退化特性。结果表明，温度波动对模块退化特性的影响远大于温度和开关频率。较高频率对模块的影响主要在芯片内部，而温度波动对模块的影响主要在封装层面。

绝缘栅双极晶体管(IGBT)主要用于工业控制领域，如逆变器、变频器、不间断电源、不间断电源、电源、风力发电设备等。近年来，随着高速铁路、电动汽车、风力发电机等电气设备的快速发展，高功率密度和大量的电子集成技术对其可靠性提出了更高的要求。

光伏发电是未来发展中最具潜力的可再生能源，而IGBT是光伏系统中主要的功率半导体器件，因此其可靠性对光伏系统有着重要的影响。IGBT模块的热特性是该模块的重要特性之一。在模块的退化过程中，热性能变化对半导体模块的整体性能有重要影响。

针对现阶段存在的问题，河北工业大学与省部级单位联合建立的电气设备可靠性与智能化国家重点实验室的研究人员对IGBT在不同功率循环下的热退化特性进行了研究。设计了一个动态实验来研究IGBT模块在不同工作模式下的退化情况，得到了模块在不同状态下的退化特性。

图1 heat传热结构

图2模块和老化设备

研究人员观察了在不同工作条件下进行老化实验时，IGBT模块在相同老化时间下的热阻变化。通过热网络模型和结构功能分析，对模块内部结构进行缺陷识别和失效机理分析，并采用仿真方法对不同边界条件下的动态导热过程进行有限元仿真。更直观地观察了模块的导热过程，验证了实验方法的准确性。

他们发现，在温度波动较大的情况下，IGBT组件的致命损坏往往发生在各层的接合处。由于各种材料层的热膨胀系数不同，焊料层严重分层，导致热阻增加，进而导致大量的热量积累和键合线的严重损坏。开关频率增加后，模块的热阻变化速度比温度循环慢得多。虽然模块的开关频率比温度循环的开关频率增加了近百倍，但模块的寿命并没有降低，这表明开关频率对IGBT模块芯片的影响远小于温度对模块寿命的影响。

在接下来的工作中，实时工作过程中的结温变化可以通过测量实际工作过程中模块的外壳温度和功率来获得，键合线的损伤作为整体损伤的一部分及时反馈给系统，从而提高了IGBT模块的寿命预测精度。

上述研究结果发表在2019年《电气技术杂志》的第2期增刊上。论文题目为“不同工作模式下IGBT模块瞬态热特性退化分析”。作者是刘向祥、李志刚和方耀。

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