一種基于短路電流的IGBT模塊鍵合線老化監測方法

蘇榮杰 杜明星 李 豹

1(天津理工大學電氣電子工程學院 天津 300384) 2(國網浙江海鹽縣供電有限公司 浙江 嘉興 314300)

0 引 言

隨著功率半導體技術的飛速發展,具有驅動功率小、開通速度快、飽和壓降低等優點的IGBT模塊成為應用最廣泛的功率半導體器件之一,是許多在嚴苛和不確定工況下運行的電力電子系統的核心部件,例如機車牽引、電動汽車、航空航天和可再生能源等領域[1-4]。有研究表明[5],負載變化會使功率半導體器件產生附加應力,如電應力和機械應力等,從而導致其疲勞損傷和高故障率。因此,作為承載電力電子系統電能變換的IGBT模塊,是最容易失效的部分之一[6]。

因功率循環引起的鍵合線老化和焊料層疲勞是IGBT模塊最主要的失效形式之一[7]。焊料層老化的原因是IGBT模塊具有多層結構,且每層結構的熱膨脹系數(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)不同,電力電子系統運行過程中產生的熱量使得IGBT模塊結溫產生變化,焊料層處受結溫變化影響會發生塑性應變從而導致IGBT模塊的焊料層老化損傷[8]。常見的IGBT模塊鍵合線的老化損傷有兩種,一種是鍵合線根部裂紋,另一種是鍵合線斷裂[9]。鍵合線根部裂紋通常是由焊料層疲勞損傷直接引起的,而鍵合線斷裂一部分是焊接處斷裂,另一部分是鍵合線老化斷裂。因此,IGBT模塊工作時的結溫及其健康狀態的實時監測對保證電力電子系統的安全穩定運行具有重要意義。

溫度敏感電參數(Temperature Sensitive Electrical Parameter,TSEP)因其溫度響應快而常被應用于IGBT模塊結溫及其老化狀態的監測[10]。Xu等[11]將短路電流作為溫度敏感電參數,通過試驗得到了溫度與短路電流的線性關系,實現了IGBT模塊的結溫實時估計。Luo等[12]利用IGBT模塊的輔助發射極和功率發射極之間的寄生電感來提取關斷延遲時間,驗證了結溫與關斷延遲時間的單調關系。短路電流之所以成為IGBT模塊的TSEP,不僅是其具有足夠的溫度靈敏度,而且還能夠精確表征IGBT模塊鍵合線的老化損傷程度和測量IGBT模塊結溫。但作為TSEP,短路電流也有一些不足之處,比如它會受到結溫以及鍵合線老化狀態的耦合影響等。因此,為了利用短路電流精確表征IGBT模塊的老化狀態,必須對溫度與鍵合線老化狀態的耦合關系進行處理。對于同一IGBT模塊,在不同結溫下的輸出特性和轉移特性曲線在一個點相交,該交叉點上的短路電流不受結溫的影響。基于此,Sun等[13]提出了一種基于轉移特性曲線交叉點的IGBT模塊鍵合線老化的監測方法,利用交叉點的特性去耦結溫對短路電流的影響,通過測量鍵合線不同老化程度下交叉點的短路電流,實現對鍵合線老化狀態的評估。然而,當短路電流值高于或低于交叉點電流時,該方法的監測精度將受到影響。

為了解決上述問題,文中引入與短路電流相關的IGBT模塊集電極-發射極通態電壓,將其分解為芯片閾值電壓、芯片通態壓降和封裝電路壓降三個部分,并討論了各部分電壓的計算方法。其中,IGBT模塊的封裝電路壓降可表征鍵合線老化狀態,通過解耦結溫的影響,實現在輸出特性曲線交叉點以外區域鍵合線老化狀態的精確監測。

1 方法分析

1.1 鍵合線老化對短路電流的影響機理

鍵合線老化損傷主要是由于溫度波動以及硅和鋁之間的CTE不同,在鍵合線和芯片相連界面處產生的熱-機剪切應力引起的。當硅芯片和鋁鍵合線的溫度波動為ΔT時,鍵合線與硅芯片之間的接合點的總應力εtot可描述為[14]。

εtot=L·(αAl-αSi)·ΔT

(1)

式中:αAl和αSi分別是鋁和硅的CTE,L是線接觸長度。

由式(1)可知,由于鋁鍵合線和硅芯片的CTE不同,當功率循環過程中結溫變化量ΔT較大時,接合處的總應變εtot也會很大,在接合處產生塑性應變。當IGBT模塊承受持續的溫度波動沖擊后,導致塑性應變積累,最終造成鍵合線的脫落或者根部斷裂。

為進一步研究鍵合線老化對短路電流的影響,圖1給出了IGBT模塊的等效電路。其中:Vg為驅動電壓;Vge為IGBT芯片的柵極-發射極電壓;Ig為IGBT模塊的柵極電流;Isc為IGBT模塊的短路電流;Lg和Rg分別是柵極引線的寄生電感和電阻;Lw和Rpackage分別是鍵合線的并聯等效寄生電感和模塊的封裝電阻;Lae和Rae分別是輔助發射極引線的寄生電感和電阻;Le和Re分別是發射極引線的寄生電感和電阻。

圖1 模塊的等效電路

當鍵合線發生脫落或者斷裂,都將引起封裝電阻Rpackage的增加。如圖1所示,在IGBT模塊發生硬開關短路時,短路電流會因鍵合線老化程度加重引起的回路電阻增加而減小。因此,可以用短路電流來監測鍵合線老化狀態。

1.2 鍵合線老化監測機理

在實際工況下,利用Isc進行鍵合線老化的監測存在挑戰。圖2顯示了不同結溫條件下IGBT模塊的輸出特性曲線,其中標記了交叉點Ic_int,并將其對應的集電極-發射極電壓表示為Vce_int。為了便于研究結溫對短路電流的影響,可將集電極電流Ic(10～70 A)的變化分為正溫度系數(IcIc_int)三個區域。在區域2進行IGBT模塊的鍵合線老化監測時,無須獲取結溫信息,溫度對Ic的影響可以忽略不計。文獻[13]就是利用了轉移特性曲線交叉點處短路電流不受溫度影響的特性實現了鍵合線老化的監測。但通常情況下,IGBT模塊不會工作在此區域,且很難準確地捕獲交叉點,進而使Ic_int難以應用于實際工況的鍵合線老化監測。要實現在交叉點以外對鍵合線老化的監測同樣存在困難,圖3所示為脫落不同鍵合線根數下的IGBT模塊的輸出特性曲線,短路電流與在轉移特性曲線中的特性一致,交點處溫度對短路電流的影響可以忽略,但是當短路電流值高于或低于交叉點電流時,將同時受到鍵合線老化程度和溫度的耦合影響。因此依據文獻[13]的方法進行交叉點以外鍵合線老化狀態評估時,其精度將會受到溫度變化的影響,因此只能實現在交叉點處對鍵合線老化的監測。短路電流Isc作為短路時集電極的飽和電流,可以視為集電極電流來進行分析。

圖2 不同結溫下IGBT模塊的輸出特性曲線

圖3 不同老化程度下IGBT模塊的輸出特性曲線

為實現在輸出特性曲線交叉點以外利用Isc對鍵合線老化進行監測,引入了與短路電流相關的通態電壓并對其進行了分解,提取出了短路情況下能反映鍵合線狀態的分量Vpackage,解耦了在交叉點以外結溫對短路電流的影響。根據IGBT模塊的物理結構和導通機理,將通態電壓表示為:

Vce=Vce_th+Ic×Ron_chip+Ic×Rpackage

(2)

式中:Vce是通態電壓;Ic是集電極電流;Vce_th是集電極-發射極的閾值電壓;Ron_chip是芯片通態電阻。由于電導調制作用隨著的Ic增大而減小,Ron_chip與Ic的乘積是芯片通態壓降Von_chip。Rpackage是模塊的封裝電阻,與封裝結構相關,不受集電極電流的影響,Rpackage與Isc的乘積為模塊的封裝電壓Vpackage。

利用圖4所示的PCT-2半導體參數測試系統可以對Vce_th進行提取,通過恒溫恒濕箱模擬實際工況,測量得到不同溫度下的輸出特性曲線見圖5(a),求得輸出特性曲線斜率最大點并利用線性外推法可以得到集電極-發射極閾值電壓如圖5(b)所示。將不同溫度下得到的Vce_th擬合后可以得到:

Vce_th(Tj)=-0.003 69×Tj+0.837 85

(3)

圖4 PCT-2半導體參數測試系統

根據式(3)可以看出隨著Ic的變化Vce_th保持恒定,其溫度系數為負,Vce_th與Tj的擬合關系如圖5(c)所示。

(a) 不同Tj的輸出特性曲線(Ic范圍為0～10 A)

(b) Vce_th獲取方法

(c) Vce_th的函數擬合效果圖5 閾值集電極-發射極電壓的提取

當集電極注入電流在較低范圍內時,IGBT模塊的PIN二極管占通態電壓的主要部分,MOSFET對通態電壓的影響可忽略不計。因此,當IGBT模塊的集電極-發射極電壓接近閾值電壓Vce_th時,在N+緩沖區、N-漂移區和芯片通道中產生的電壓降可近似為零,電壓降主要分布在閾值電壓和封裝電阻上。此時式(2)可以重寫為:

Vce=Vce_th+Ic×Rpackage

(4)

根據式(4),當集電極-發射極兩端施加電壓接近Vce_th時,此時IGBT模塊剛好導通,記錄此時通過Vce和Ic的值即可求得的封裝電阻Rpackage。在此利用圖6所示的通態電壓測試系統進行封裝電阻提取。根據式(3)可以得到室溫下的Vce_th為0.745 6 V,當大功率直流電源在集電極-發射極兩端施加電壓為0.82 V時,測得Vce=0.747 1 V,Ic=1.46 A,根據式(4),可以求得室溫下Rpackage=1.028 2 mΩ。根據室溫下求得的封裝電阻,我們可以得到不同工況(Isc,Tj)條件下的封裝電壓Vpackage,可表示為:

(5)

式中:Rpackage,θ是室溫下的電阻;θ是室溫;T0取決于金屬材料,材料為鋁時,取228 K。

圖6 通態電壓測試系統

利用圖6所示通態電壓測試系統并結合式(2)對芯片通態壓降Von_chip進行提取,得到Von_chip與Ic和Tj的關系如圖7所示,可以看出Von_chip具有正的溫度系數,其與Ic和Tj的關系如下:

(6)

式中:a00=-0.023 23,a10=0.006 936,a01=0.003 129,a20=-0.000 142 1,a11=-2.392×10-5,a30=1.091×106,a31=3.227×107。

圖7 不同結溫下的芯片通態電壓

結合以上分析,考慮到溫度的影響,式(2)可更新為:

Vce(Tj)=Vce_th(Tj)+Ic×Ron_chip(Tj)+

Ic×Rpackage(Tj)

(7)

當IGBT模塊鍵合線發生老化時,對Vce_th和Von_chip產生的影響較小,但會引起Vpackage增加,因此,工況下獲取短路電流Isc與結溫Tj的信息后得到Vpackage,就可以根據Vpackage的變化來監測鍵合線老化。

2 鍵合線老化監測

2.1 診斷標準

當鍵合線發生老化時,會引起IGBT模塊的封裝電阻Rpackage的增加,在進行短路測量時依據短路電流Isc計算得到的封裝電壓Vpackage會大于健康模塊短路時測量得到的值,此時鍵合線老化的診斷標準可描述為式(8)。

Vpackage_mea-Vpackage_n>0

(8)

式中:Vpackage_mea為短路測量后計算得到的封裝電壓,Vpackage_n為健康模塊短路測量后計算得到的封裝電壓。在實際工況下,在獲取短路電流Isc與結溫Tj的信息后,可根據式(5)得到健康情況下的Vpackage_n,再結合式(3)、式(6)、式(7)得到短路測量后的Vpackage_mea,依據式(8)來判斷鍵合線是否發生了老化。

2.2 技術優勢

當IGBT模塊工作在輸出特性曲線交叉點以外時,利用Isc進行鍵合線老化監測,會受到溫度與鍵合線老化程度的共同影響,也就是焊料層老化與鍵合線老化兩種失效情況將會耦合在一起。當Isc0,而由鍵合線老化引起的短路電流變化ΔIsc2<0。因此,在這種工作情況下,由兩種老化因素引起的短路電流變化可能相互抵消,導致IGBT模塊老化的誤判。當Isc>Ic_int時,集電極電流的溫度系數為負,此時有ΔIsc1<0,ΔIsc2<0,這種情況下不能判斷出因哪種因素導致了IGBT模塊老化。

根據文中提出的診斷策略,集電極-發射極閾值電壓具有負的溫度系數,封裝電壓和芯片通態電壓具有正的溫度系數。當IGBT模塊工作在IscIc_int情況時,Vce的溫度系數為正,隨著集電極-發射極電壓的增加,Vpackage受到鍵合線老化的影響變大。因此,對于工作在輸出特性曲線交叉點以外的IGBT模塊,根據短路測量后得到的Isc計算出Vpackage,依據Vpackage_mea與Vpackage_n的差值可以判斷鍵合線是否發生老化。判斷出鍵合線發生老化的前提下,進而利用短路電流受鍵合線老化影響的特性,依據測量得到的短路電流實現鍵合線老化程度的評估。

3 實驗結果

為了驗證文中提出的鍵合線老化監測方法的正確性,文中以SKM75GB12T4 IGBT模塊為研究對象開展實驗研究。

3.1 短路電流和結溫獲取

在分析了文中提出的鍵合線老化的監測方法后,要利用Vpackage解耦溫度對短路電流的影響,實現在輸出特性曲線交叉點以外對鍵合線老化監測需要確定Isc與Tj的關系。IGBT模塊的短路電流是結溫的函數,為了得到短路電流和結溫之間的關系,用IGBT模塊進行硬開關短路實驗來得到校準關系。

選擇硬開關短路來進行短路試驗以消除柵極電壓的波動對短路電流的影響,硬開關短路實驗原理如圖8(a)所示。實驗平臺主要包括直流穩壓電源、電阻箱、薄膜電容、門極驅動電路、加熱板和紅外測溫儀。薄膜電容器C由電源通過電阻R充電,L是電容器和IGBT模塊之間連接線的等效雜散電感。硬開關短路設備的開關順序如圖8(c)所示。在t1時刻,DUT兩端將施加直流總線電壓。然后,DUT在t2時刻由關斷狀態直接進入短路,電流迅速上升并達到峰值。DUT的集電極-發射極之間的電壓Vce在由電路的電感性寄生元件引起的小波動之后仍保持在輸入電壓值。由于短路引起能量消耗,增加了器件溫度以及MOS溝道電阻,所以電流隨時間逐漸減小。記錄短路電流曲線并讀取短路電流值,t3時刻關閉了DUT。通常,短路時間應小于10 μs,以防止器件因過熱而損壞,在此短路測試時間設置為4 μs,保證了電路的安全同時也能準確測出短路電流值。IGBT模塊的結溫由加熱板控制。

(a) 短路測試原理圖

(b) 短路試驗臺

(c) 短路電壓電流圖8 實驗平臺

在Vge和Vce經過開關導通過程并進入穩態后,記錄短路電流值。在這種情況下,記錄發生短路后3 μs的短路電流值并用于校準。考慮到由于短路脈沖期間產生的功耗導致DUT自熱,在實際溫度測量中應采用相同的保持時間(在這種情況下為3 μs),以補償自熱效應。圖9顯示了柵極電壓Vg為13 V、集電極-發射極電壓Vce為40 V時IGBT在短路狀態下IGBT模塊的柵極電壓、集電極-發射極電壓和短路電流曲線。短路發生3 μs的電流值處于穩定狀態(t1至t2間隔),可以對其進行測量。

圖9 短路實驗波形

圖9給出了健康IGBT模塊不同溫度下的短路電流值,短路電流具有0.17 A/℃的溫度靈敏度和線性度。值得注意的是,圖10中的溫度是發生短路之前的器件結溫,而不是記錄短路電流時的器件結溫。通過校準曲線,可以從短路電流值中推算出功率變換器運行時的IGBT模塊結溫,結合式(5)可以得到健康模塊的封裝電壓Vpackage_n。

圖10 健康IGBT模塊Isc-Tj關系

當鍵合線發生老化后,IGBT模塊的結溫不能再依據健康情況下Isc-Tj關系來進行提取,為消除IGBT模塊封裝結構引起的誤差,需要對結溫進行補償,補償后真實結溫可描述為[15]:

(9)

式中:k為校正因子,其值為溫度變化量與通態電壓變化量的比值;α為平均電阻溫度系數,考慮IGBT模塊內部材料只要為銅和鋁,可取為0.004 1 ℃;V0為輸出特性曲線中特定電流對應的基準電壓;T0是與基準電壓相對應的基準溫度(室溫);Rpackage_0是溫度為T0時IGBT模塊對應的封裝電阻。

3.2 基于短路電流的IGBT模塊鍵合線老化監測

工況下測量得到IGBT模塊短路電流的信息后,就可以根據式(3)、式(6)、式(7)、式(9)計算出短路測量后的封裝電壓Vpackage_mea,根據封裝電路壓降差值Vpackage_mea-Vpackage_n可以辨識鍵合線的老化狀態。在鍵合線老化損傷的前提下,可以利用短路電流來進一步判斷出鍵合線老化損傷程度。

圖11(a)所示為IGBT模塊鍵合線脫落0～6根情況下對應的短路電流,可以看出,短路電流Isc隨著鍵合線脫落數的增加而減小,這反映了IGBT模塊在壽命周期內的持續老化過程,可以看出短路電流受鍵合線老化的影響明顯,因此可以用來監測鍵合線的老化狀態。為了進一步診斷鍵合線失效根數,式(10)定義了表征鍵合線老化程度的短路電流Isc的變化率,其中Isc_n和Isc_a分別是健康模塊和鍵合線老化模塊的短路電流。

(10)

(a) 短路電流與鍵合線老化程度的關系

(b) 短路電流變化率與鍵合線老化程度的關系圖11 鍵合線老化與短路電流的關系

由圖11(b)可以看出鍵合線脫落不同根數下,短路電流的變化率都有明顯的變化,因此我們可以根據短路電流的變化率來判斷出鍵合線脫落的根數,由此可以判斷出該模塊的健康狀態。

為驗證此方法能夠在輸出特性曲線交叉點以外對鍵合線老化狀態進行精確監測,分別對健康的IGBT模塊以及鍵合線老化后的IGBT模塊進行了實驗。測得健康的IGBT模塊的短路電流為90A(Isc>Ic_int),結合式(5)以及Isc-Tj的關系,可以得出Tj=61.76 ℃,Vpackage=0.106 0 V。當鍵合線發生老化后,測得此時Vce=1.280 8 V,Isc=87.119 A,Tj=59.86 ℃,可以求出Vpackage=0.230 8 V,即Vpackage_mea-Vpackage_n>0,判斷出鍵合線發生了老化,利用式(10),可得σ=4.43%,可判斷出鍵合線脫落根數為2,實現了在輸出特性曲線交叉點以外的鍵合線老化狀態監測,完善了基于轉移特性曲線交叉點的IGBT模塊鍵合線老化監測方法。

表1 IGBT模塊鍵合線老化監測方法的比較

文獻[16]表明,當脫落的鍵合線數大于初始鍵合線數的70%(該模塊失效時為>6根)時,IGBT模塊的剩余壽命為總壽命的2.3%,該IGBT模塊不適合正常工作。根據本文提出的方法,我們可以實現IGBT模塊鍵合線的老化狀態監測,提高了電力電子系統的安全性。

4 結 語

本文以IGBT模塊短路電流作為溫度敏感電參數,采用通態電壓分離方法去除結溫的耦合影響,實現了IGBT模塊鍵合線的老化監測。該方法將通態電壓分離為一個負溫度系數電壓Vce_th和兩個正溫度系數電壓Von_chip和Vpackage,利用Vpackage解耦了溫度對短路電流的影響,完善了基于輸出特性曲線交叉點的IGBT模塊鍵合線老化監測方法,實現了不同短路電流在不同結溫條件下對IGBT模塊鍵合線老化的在線監測。