0 引言

    電力電子設(shè)備因其能量轉(zhuǎn)換效率高、主動(dòng)可控性和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)^[1]，廣泛應(yīng)用于對(duì)于可靠性需求較高的新能源發(fā)電、航空航天、高速機(jī)車(chē)牽引、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域中。在這些場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，電力電子設(shè)備會(huì)面臨各種或規(guī)律或不規(guī)律的功率大波動(dòng)以及各種周期或非周期性的強(qiáng)機(jī)械振動(dòng)等極端工況^[2]，相關(guān)統(tǒng)計(jì)^[3]表明，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中計(jì)劃外的檢修有37%是由變流器故障引起的。而在變流器中^[4]（如圖1所示）功率器件常被列為最易失效的部件，同時(shí)根據(jù)調(diào)查，在工業(yè)中最常用的功率器件是IGBT^[3]。目前，對(duì)電力電子設(shè)備可靠性的研究主要包括失效機(jī)理研究、壽命預(yù)測(cè)^[5]、狀態(tài)監(jiān)測(cè)^[6]和主動(dòng)熱控制^[7]等。

    本文首先梳理了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外IGBT模塊失效機(jī)理的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，其次重點(diǎn)總結(jié)了主動(dòng)熱控制方向的研究工作，分別對(duì)主動(dòng)冷卻、熱電制冷和電參數(shù)法這三種主動(dòng)熱控制方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，最后從提高器件封裝可靠性設(shè)計(jì)、改善器件運(yùn)行外部工況角度對(duì)IGBT模塊主動(dòng)熱控制方向的未來(lái)工作進(jìn)行展望。

1 IGBT故障模式和失效機(jī)理

    對(duì)于IGBT模塊，它的失效涉及電、熱、機(jī)械等多方因素^[8]，并且失效過(guò)程與IGBT本身的動(dòng)態(tài)特性是密切相關(guān)的。其失效機(jī)理根據(jù)時(shí)效性可以分為兩種：過(guò)應(yīng)力失效和磨損失效。過(guò)應(yīng)力失效是瞬時(shí)的、災(zāi)難性的；而磨損失效則是長(zhǎng)時(shí)效性的，器件內(nèi)部疲勞會(huì)隨時(shí)間逐步累積，同時(shí)伴隨著外部電路及工況等因素的相互影響，導(dǎo)致器件性能逐漸退化直至失效。

1.1 過(guò)應(yīng)力失效機(jī)制

    過(guò)應(yīng)力失效主要與功率芯片的過(guò)壓過(guò)流過(guò)熱等情況的發(fā)生有關(guān)。在芯片發(fā)生過(guò)壓與過(guò)流時(shí)，模塊內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量熱量從而導(dǎo)致器件過(guò)熱損毀，并且器件存在發(fā)生二次擊穿的風(fēng)險(xiǎn)^[9]。由于過(guò)應(yīng)力失效發(fā)生的瞬時(shí)性，因此需要確保選用IGBT模塊時(shí)留有足夠的安全裕量或器件充分散熱，以保證模塊在安全工作區(qū)內(nèi)運(yùn)行。

1.1.1 短路

    IGBT模塊運(yùn)行的各個(gè)時(shí)間段都有發(fā)生短路現(xiàn)象的可能。開(kāi)啟期間的IGBT發(fā)生柵極電壓過(guò)高^[10]和外部故障可能就會(huì)引起短路。導(dǎo)通狀態(tài)期間靜態(tài)閂鎖^[11]或由二次擊穿引起的過(guò)溫^[12-14]以及能量沖擊^[15-16]等現(xiàn)象也會(huì)引起模塊短路。關(guān)斷期間動(dòng)態(tài)閂鎖^[17-18]或高壓擊穿^[19-20]同樣可能導(dǎo)致器件短路。而關(guān)閉狀態(tài)下的熱失控現(xiàn)象也會(huì)造成模塊故障。短路機(jī)制如表1所示。

    在IGBT關(guān)斷瞬間，IGBT會(huì)存在高壓、大電流現(xiàn)象。由于IGBT在關(guān)斷時(shí)，首先關(guān)斷元胞區(qū)，再關(guān)斷過(guò)渡區(qū)(元胞區(qū)與終端區(qū)中間過(guò)渡的部分)，最后才是關(guān)斷器件的終端區(qū)。由于關(guān)斷IGBT自身不同區(qū)域存在時(shí)差，會(huì)存在如當(dāng)元胞區(qū)己經(jīng)關(guān)斷時(shí)，存留于IGBT器件內(nèi)部的電流就會(huì)立即往仍處于開(kāi)通狀態(tài)的區(qū)域(比如終端區(qū))涌去造成電流集聚現(xiàn)象，而電流過(guò)度集中則會(huì)形成電流絲，進(jìn)而促發(fā)器件內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)雪崩現(xiàn)象，這在文獻(xiàn)[22]中稱(chēng)為延遲故障。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證，大的漏電流導(dǎo)致熱失控^[23]，而通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò) E_C這個(gè)能量節(jié)點(diǎn)來(lái)解釋反復(fù)短路操作中災(zāi)難性故障和磨損故障的失效機(jī)理。當(dāng)短路能量低于E_C時(shí)，IGBT還能繼續(xù)重復(fù)運(yùn)作10⁴次。但是，當(dāng)短路能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出E_C時(shí)，由于熱失控，IGBT在首次短路后就很可能會(huì)發(fā)生故障。盡管在現(xiàn)有技術(shù)研究^[24-25]中已經(jīng)進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，但能量大于E_C時(shí)所發(fā)生的失效由于IGBT過(guò)應(yīng)力失效的瞬時(shí)性，依舊難以分析。

1.1.2 斷路

    IGBT的斷路故障源于振動(dòng)所導(dǎo)致外部斷開(kāi)，以及由于短路電流過(guò)大引起的鍵合線(xiàn)剝離或破裂^[26]。它可能產(chǎn)生電流脈沖，輸出電流或電壓失真，并在一段時(shí)間后導(dǎo)致其他組件的二次故障。斷路也可能是由于沒(méi)有柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如設(shè)備中元件的損壞以及IGBT與設(shè)備之間連接線(xiàn)損壞等^[27]。

1.2 磨損

    對(duì)于典型的多層引線(xiàn)鍵合IGBT模塊(圖2)，當(dāng)變流器處理大范圍的隨機(jī)波動(dòng)功率時(shí)，電流使IGBT模塊長(zhǎng)期承受熱循環(huán)沖擊^[28]。由于IGBT各層材料與芯片的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)的差異與溫度波動(dòng)相結(jié)合導(dǎo)致了各層的熱形變。其中，鍵合線(xiàn)失效^[29-33]和焊料層失效^[34-36]是磨損失效的主要方式。

1.2.1 鍵合線(xiàn)失效

    眾所周知，典型多層引線(xiàn)鍵合IGBT模塊內(nèi)的三個(gè)易失效的點(diǎn)是硅芯片互連的鋁鍵合線(xiàn)、硅芯片-DCB焊點(diǎn)以及DCB-基板焊點(diǎn)^[29]。IGBT模塊中最常見(jiàn)的失效機(jī)制之一是鍵合線(xiàn)剝離。這種失效機(jī)制是由于CTE失配(鋁和硅之間)與溫度波動(dòng)的耦合所造成的^[30]。圖3(a)展示了結(jié)溫變化幅度較大的熱疲勞測(cè)試中，裂紋沿著鋁鍵合線(xiàn)與芯片表面的接觸界面的兩端傳播到中心的一種裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象。當(dāng)裂紋到達(dá)中心時(shí)，鍵合線(xiàn)會(huì)翹起^[31-32]。根據(jù)文獻(xiàn)[33]，通過(guò)在硅芯片頂部安裝應(yīng)變緩沖器或使用將連接線(xiàn)粘到硅芯片上的涂層等不同的技術(shù)手段，可以延緩鍵合線(xiàn)的翹曲現(xiàn)象。鍵合線(xiàn)根部開(kāi)裂是標(biāo)準(zhǔn)鍵合IGBT模塊中可能出現(xiàn)的另一種失效機(jī)制。這種失效是由歐姆自熱所造成的，因此鍵合線(xiàn)根部裂紋是一種比翹曲更為漫長(zhǎng)的失效機(jī)制^[32]。

1.2.2 焊料層失效

    引線(xiàn)鍵合的IGBT模塊的另一個(gè)主要失效機(jī)制是焊料空洞和開(kāi)裂^[34]。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IGBT模塊中有兩個(gè)焊料層：硅芯片DCB之間的焊料層和DCB基板之間的焊料層。因?yàn)镈CB基板與基板之間的CTE失配系數(shù)高于DCB基板與Si之間的，所以DCB基板與基板之間的焊料層更為脆弱。而由于CTE失配，各層材料之間產(chǎn)生交變應(yīng)力，使材料彎曲變形并產(chǎn)生蠕變疲勞，導(dǎo)致焊料層出現(xiàn)裂紋和空洞，進(jìn)而影響了器件內(nèi)熱量的有效傳導(dǎo)(正反饋過(guò)程)，加速了器件的老化進(jìn)程。而芯片連接的熱阻增加也將引發(fā)嚴(yán)重的局部加熱使芯片損毀^[35]。

    功率器件的磨損失效過(guò)程十分復(fù)雜，文獻(xiàn)[36]認(rèn)為焊料失效是IGBT失效的主要失效機(jī)理，文獻(xiàn)[37]發(fā)現(xiàn)鍵合線(xiàn)故障總是出現(xiàn)在焊料層過(guò)溫后。同時(shí)在老化試驗(yàn)中，有70%的功率模塊最終失效表現(xiàn)是鍵合線(xiàn)剝離或熔斷[38]。因此器件磨損失效是鍵合線(xiàn)和焊料層失效共同作用下的表現(xiàn)。

2 主動(dòng)熱控制

    功率器件的主動(dòng)熱控制，是將器件結(jié)溫作為反饋量，通過(guò)控制器件電氣參數(shù)或外部條件對(duì)器件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整以提高功率器件的可靠性，并延長(zhǎng)器件的使用壽命的一種技術(shù)。功率器件的主動(dòng)熱控制可分為內(nèi)部熱控制和外部熱控制^[39]。

2.1 外部熱控制

    外部熱控制主要通過(guò)在器件外部添加散熱裝置按照一定的控制策略調(diào)節(jié)器件外殼到環(huán)境的熱阻，以達(dá)到調(diào)整器件散熱方式和散熱速率的效果。

2.1.1 主動(dòng)冷卻

    主動(dòng)冷卻是指冷媒循環(huán)傳熱，利用媒介將熱量從器件內(nèi)部加速帶出至環(huán)境中。目前主動(dòng)冷卻的方式有：風(fēng)冷、直接液冷、微通道、兩相強(qiáng)制對(duì)流、射流沖擊以及噴霧換熱。

    標(biāo)準(zhǔn)的主動(dòng)冷卻方法中，風(fēng)扇以恒定的速度驅(qū)動(dòng)，并施加恒定的偏壓。若以溫度調(diào)節(jié)的方式來(lái)區(qū)分，如圖5所示，它是一種前饋控制的方法，在系統(tǒng)中，功率耗散和環(huán)境溫度都會(huì)被調(diào)節(jié)模塊所感應(yīng)到，然后調(diào)制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，來(lái)將給定位置處的溫度(TX)降至最低^[40]。其優(yōu)點(diǎn)在于這個(gè)系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的(即它不受穩(wěn)定性問(wèn)題和環(huán)境條件的影響)，這種主動(dòng)冷卻的方法可以預(yù)測(cè)溫度變化，也就是說(shuō)，可以在溫度發(fā)生任何變化之前對(duì)干擾(功耗的變化)作出反應(yīng)，從而使系統(tǒng)擁有更高的效率。其限制是無(wú)法直接監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)TX，而TX是一個(gè)實(shí)際變量，其值會(huì)受給定的參考值的約束^[41]。

    IGBT應(yīng)用過(guò)程中，IGBT的散熱設(shè)計(jì)需要考慮選擇單側(cè)冷卻或雙側(cè)冷卻。而與單側(cè)冷卻液相比，雙面冷卻液可以散去器件內(nèi)76%以上的熱量。然而，常規(guī)焊接式的IGBT很難滿(mǎn)足雙面冷卻的要求。而相較于焊接式的IGBT，壓接式IGBT是最為合適的候選模塊，其可靠性高，且兩側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)高^[42]，但其造價(jià)較高，使用范圍較窄。目前，大部分的冷卻方式，如強(qiáng)迫風(fēng)冷和單相液冷，都使用單側(cè)冷卻。當(dāng)散熱面比較大的時(shí)候有各種各樣的被動(dòng)冷卻方法將熱量散出，但如果可用于散熱的面積很小，則不可避免地需要使用到主動(dòng)冷卻方法。

2.1.2 熱電制冷

    熱電制冷主要利用珀?duì)柼?yīng)將器件溫度傳至環(huán)境中，其制冷效果主要取決于電偶對(duì)材料的熱電勢(shì)^[43-44]。由于半導(dǎo)體材料具有較高的熱電勢(shì)，因此，可以用它來(lái)制成小型的熱電制冷器。由于熱電制冷器不需要介質(zhì)，又無(wú)機(jī)械部件，可靠性高，并可以逆向運(yùn)轉(zhuǎn)，而且溫度可以精確地控制在±0.01 ℃^[45]，在電子設(shè)備或電子元器件的熱控制方面得到了比較廣泛的應(yīng)用。早期的熱電制冷主要注重靜態(tài)的熱負(fù)載的研究^[46]，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，器件工況越來(lái)越復(fù)雜，就需要將器件溫度作為一種動(dòng)態(tài)熱負(fù)載來(lái)看待，即需要考慮更多的問(wèn)題如額外功耗以及新的控制電路等^[47]。目前，熱電制冷（TEC）已成為制冷領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，但是由于其轉(zhuǎn)換效率過(guò)低且材料成本較高，難以得到廣泛應(yīng)用。

2.2 內(nèi)部熱控制

    內(nèi)部熱控制主要從器件發(fā)熱源頭上進(jìn)行溫度控制，可調(diào)節(jié)的因素包括開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)調(diào)制方式和驅(qū)動(dòng)波形等，如圖6所示^[48]。

    (1)開(kāi)關(guān)頻率

    功率器件在應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)頻率的大小直接影響開(kāi)關(guān)損耗，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率對(duì)器件結(jié)溫進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[49]中報(bào)道了幾種方法，主要用改變脈沖寬度調(diào)制（PWM）的頻率來(lái)限制最大結(jié)溫。在文獻(xiàn)[50]中采用了相同的技術(shù)，其目的也是采用滯環(huán)頻率控制來(lái)限制結(jié)溫變化，對(duì)變頻器啟動(dòng)階段的溫度沖擊抑制效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有良好的控制效果。

    (2)開(kāi)關(guān)調(diào)制方式

    眾所周知，器件損耗也會(huì)受到開(kāi)關(guān)調(diào)制方式的影響，因此也可以通過(guò)改變開(kāi)關(guān)調(diào)制方式來(lái)控制結(jié)溫。文獻(xiàn)[51]、文獻(xiàn)[52]中通過(guò)在連續(xù)和離散的60°PWM之間的轉(zhuǎn)換來(lái)減少損耗以達(dá)到控制結(jié)溫的效果，但由于對(duì)電流紋波的影響有所不同，需要仔細(xì)考慮應(yīng)用。

    (3)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)波形調(diào)整

    器件開(kāi)關(guān)損耗還受門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的影響，因此可以通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)波形實(shí)現(xiàn)損耗控制^[53]。實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)外部驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值、上升時(shí)間、下降時(shí)間等。因此，該方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的精度和速度有著較高要求。

    綜上所述，不同設(shè)備都可以通過(guò)主動(dòng)熱控制來(lái)實(shí)現(xiàn)功率模塊中熱循環(huán)的減少。主動(dòng)冷卻可以通過(guò)外部設(shè)施來(lái)達(dá)到降低器件內(nèi)部結(jié)溫的目的，但氣溫過(guò)低時(shí)無(wú)法通過(guò)利用其進(jìn)行升溫操作，使用時(shí)需要集成其他設(shè)備來(lái)完成這一操作；熱電制冷可以通過(guò)珀?duì)柼?yīng)平滑結(jié)溫，但其轉(zhuǎn)換效率過(guò)低且材料價(jià)格高昂；電參數(shù)法可以直接從發(fā)熱源頭控制溫度，但只能通過(guò)控制開(kāi)關(guān)損耗來(lái)降低結(jié)溫，而這種控制卻是以降低系統(tǒng)性能為代價(jià)，使用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)平衡。

3 結(jié)論

    本文系統(tǒng)地綜述和比較了IGBT模塊的各種失效機(jī)理，包括過(guò)應(yīng)力失效和磨損失效。并重點(diǎn)介紹了主動(dòng)熱控制這種提高電力電子系統(tǒng)可靠性的實(shí)現(xiàn)手段。

    借助對(duì)失效機(jī)理的研究，內(nèi)部對(duì)IGBT模塊以?xún)?yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、優(yōu)化材料、優(yōu)化開(kāi)關(guān)等方法提高電力電子設(shè)備的運(yùn)行可靠性，外部通過(guò)主動(dòng)冷卻，根據(jù)功耗和環(huán)境溫度的變化調(diào)節(jié)散熱效率維持恒溫來(lái)提高IGBT模塊的可靠性。

    功率器件通常工作在隨機(jī)的功率下，因此利用主動(dòng)熱控制技術(shù)能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)于結(jié)溫的控制，但同時(shí)，作為新興的一種熱保護(hù)手段，它也還有很多限制，比如在進(jìn)行控制時(shí)并沒(méi)有一個(gè)整體的系統(tǒng)框架，環(huán)境溫度與功耗兩者之間的調(diào)節(jié)仍無(wú)準(zhǔn)確算法，無(wú)法對(duì)每次開(kāi)關(guān)都進(jìn)行完美控制，也沒(méi)有考慮模塊的老化所導(dǎo)致的問(wèn)題以及如何平衡器件性能和溫度控制之間的關(guān)系等?？偠灾?，研究IGBT功率模塊的主動(dòng)熱控制技術(shù)具有十分重要的理論和實(shí)際工程意義。

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作者信息:

周小康1，馬  奎1，2，梁  蓓1，2

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025；

2.半導(dǎo)體功率器件可靠性教育部工程研究中心，貴州 貴陽(yáng)550025)