如何正確理解功率循環(huán)曲線

近年來(lái)IGBT的可靠性問題一直受到行業(yè)的廣泛關(guān)注，特別是風(fēng)力發(fā)電、軌道交通等應(yīng)用領(lǐng)域。IGBT的可靠性通常用以芯片結(jié)溫變化為衡量目標(biāo)的功率循環(huán)曲線和基板溫度變化為衡量目標(biāo)的溫度循環(huán)曲線來(lái)評(píng)估。引起IGBT可靠性問題的原因主要是IGBT是由多種膨脹系數(shù)不同的材料焊接在一起，工作過程中溫度的變化會(huì)引起結(jié)合點(diǎn)的老化，以及綁定線在工作過程中熱脹冷縮；另外綁定線的成分，綁定工具的形狀、綁定參數(shù)以及芯片的金屬化焊接等因素都會(huì)影響IGBT的可靠性。

本文以功率循環(huán)曲線為例介紹如何正確理解IGBT廠家給出的功率循環(huán)曲線。

上圖是一張典型的IGBT功率循環(huán)曲線圖，圖中橫軸是芯片結(jié)溫變化值，其定義是測(cè)試開始時(shí)開通階段芯片溫度最高值減去關(guān)斷階段芯片溫度最低值；縱軸是IGBT飽和電壓上升了初始值5%時(shí)的循環(huán)次數(shù)；圖中的實(shí)線表示數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試值，虛線是通過數(shù)學(xué)模型仿真得到的數(shù)值。圖中右面給出了測(cè)試條件，典型的測(cè)試循環(huán)周期是3秒，其中開通關(guān)斷各1.5秒；測(cè)試的最高溫度是150攝氏度，有時(shí)也會(huì)給出100攝氏度、125攝氏度的曲線。

如果僅僅了解這些，那對(duì)功率循環(huán)曲線是不夠的。因?yàn)闇y(cè)試的條件以及失效條件會(huì)極大地影響到循環(huán)能達(dá)到的數(shù)值。

1?

脈沖寬度對(duì)PC曲線的影響

首先看一下測(cè)試脈沖寬度。上述提到測(cè)試周期是3秒，但是在實(shí)際測(cè)試中有四種不同的加載方法[1]，分別是：

從上述測(cè)試條件的描述可以看出，在這四種測(cè)試方法中，對(duì)于相同的被測(cè)對(duì)象測(cè)試結(jié)果差異很大。第一種測(cè)試方法由于沒有任何補(bǔ)償，測(cè)試條件最苛刻，后三種都增加了補(bǔ)償，或者通過減小脈沖寬度、或者通過提高門極電壓，因此測(cè)試循環(huán)次數(shù)相對(duì)較多。德國(guó)Chemnitz大學(xué)的研究人員對(duì)600V 50A的EasyPACK做了對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。從圖中可以看出，恒定開通關(guān)斷測(cè)試得到的循環(huán)次數(shù)最短（黑色線），恒定結(jié)溫波動(dòng)的循環(huán)次數(shù)最多（紫色線）。其原因是在第一種測(cè)試方法中，隨著測(cè)試的進(jìn)行器件飽和電壓上升，由于開通脈沖時(shí)間固定，所以每個(gè)脈沖能量是增加的，因此結(jié)溫變化也會(huì)高于初始值；英飛凌采用恒定開通和關(guān)斷時(shí)間的測(cè)試方法。

2?

失效判定條件對(duì)PC曲線的影響

通常器件飽和電壓上升了5%后認(rèn)為器件失效，一般而言測(cè)試需要的一定數(shù)量的樣品，通常選擇72個(gè)芯片，依照概率統(tǒng)計(jì)的方法選95%的置信度作為最后的統(tǒng)計(jì)值。也就是說(shuō)廠家給出的功率循環(huán)次數(shù)值其實(shí)是在某一置信度條件下的概率統(tǒng)計(jì)值，如果置信度給的不一樣，那最后的結(jié)果也會(huì)不一樣。在實(shí)際應(yīng)用中，如果僅僅測(cè)試幾個(gè)樣品，得到的結(jié)論往往是不夠全面。

3?

實(shí)際開通時(shí)間對(duì)PC曲線的影響

一般廠家給出的測(cè)試周期是3秒， 但在實(shí)際工作中， 例如風(fēng)力發(fā)電直驅(qū)機(jī)組，假設(shè)電機(jī)側(cè)電流周期大約10Hz，一個(gè)周波為0.1s，考慮一個(gè)IGBT 開關(guān)的持續(xù)開通時(shí)間為50ms，在這個(gè)期間IGBT 的溫度持續(xù)上升，在下一個(gè)50ms 該IGBT 芯片持續(xù)降低。Bayerer 博士，Lutz教授在CIPS 2008年的論文中給出了結(jié)溫變化、開通時(shí)間等因素對(duì)于IGBT 壽命影響的數(shù)學(xué)模型?；谏鲜隼碚撘约皩?shí)驗(yàn)求解，英飛凌給出了開通時(shí)間影響的參考曲線，如下圖所示。從圖中可以看出，開通時(shí)間短，器件的功率循環(huán)次數(shù)變長(zhǎng)。究其原因主要是由于在秒級(jí)循環(huán)測(cè)試中綁定線的失效主要以材料的塑性變形為主，而在幾十毫秒的循環(huán)測(cè)試中綁定線的失效模式由塑性變形向彈性變形過度，因而壽命變長(zhǎng)。

通過以上學(xué)習(xí)，我們可以得到以下結(jié)論：

1

IGBT芯片存在由于溫度波動(dòng)引起的可靠性問題。

2

功率循環(huán)測(cè)試有四種不同的測(cè)試方法，對(duì)于同一個(gè)被測(cè)對(duì)象，測(cè)試結(jié)果有很大差異。其中恒定導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的測(cè)試方法，其測(cè)試條件最為苛刻，因而測(cè)試的循環(huán)次數(shù)也最短，帶有補(bǔ)償?shù)钠溆嗳N測(cè)試方法，其測(cè)試循環(huán)次數(shù)會(huì)變長(zhǎng)。

3

需要考慮開通時(shí)間對(duì)于IGBT功率循環(huán)的影響，廠家給出的數(shù)據(jù)一般都是秒級(jí)的，需要依據(jù)實(shí)際開通時(shí)間做折算。

4

IGBT廠家給出的功率循環(huán)曲線是基于一定樣本數(shù)量的概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如果只是測(cè)試少量幾個(gè)樣品，得到的結(jié)論往往是不夠全面的。

為了計(jì)算IGBT的功率循環(huán)壽命，英飛凌在線仿真平臺(tái)IPOSIM新推出了壽命評(píng)估服務(wù)，只需輕輕點(diǎn)擊幾次，即可獲取功率模塊的壽命。