基于饱和压降测量的IGBT功率模块状态评估方法研究

在能源危机日益严重的今天，风能作为一种清洁可再生能源正受到越来越大的关注，风力发电对于解决当下的能源危机来说至关重要，以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT）功率模块为开关器件的风电变流器在整个风力发电系统中担负输送能量的重任。然而由于风能随机波动性大，IGBT模块的结温会出现剧烈波动，引起常见的键合线脱落和焊料层老化失效等可靠性问题，甚至导致风电大面积脱网造成严重的电网事故，所以IGBT功率模块的可靠性关乎整个风电系统的安全稳定运行。出于提高IGBT模块可靠性和节约风电变流器设备运行及检修费用的目的，基于状态评估的状态检修概念得以推广，即要对IGBT模块或系统进行当前状态的评估，判断其健康状况，并根据判断结果来决定是否对设备进行检修维护，而不像以往采取定期维护的策略，本来设备状态良好，如果到定期维护时间仍对设备进行维护，不仅浪费资金，而且还可能在拆装维护的过程中造成对设备的潜在伤害。基于此现状，论文围绕IGBT模块的状态评估开展了以下工作并得出相应结论： ①详细分析了IGBT模块的老化失效机理，并重点分析了模块的键合线和焊料层老化。阐述了以往文献对各种状态特征量随老化进程变化的研究，对比分析了各种状态参量用于状态评估的优缺点，得出饱和压降Vcesat比较适合作为状态特征参量用来对模块进行状态评估的结论，并且说明了结温对饱和压降测量的影响。 ②阐明了结温对于IGBT模块状态评估的意义，在介绍以往结温测量方法的基础上，通过设计单脉冲温箱实验平台，尝试直接用IGBT模块运行的饱和压降Vcesat来直接反映结温，最后通过Saber仿真验证结合实验测量证明了此方法的正确性，同时对以往一些测量方法进行了实验验证。 ③为了加速IGBT模块状态的变化，设计了加速老化实验平台，此实验平台可对器件通以大电流，产生的导通损耗引起IGBT自加热而使结温迅速上升到最大值，断电后再对模块进行强制散热让结温迅速下降，从而形成结温的快速剧烈波动，对模块造成很大的热机应力，由此实现加速模块键合线和焊料层老化的效果，此平台为后续状态评估实验研究奠定了坚实的基础。 ④因为老化实验平台国内尚无定标产品，需要定制加工，加工时间非常长，所以论文采取另一种模拟加速老化状态变化的办法，将模块开封后剪掉IGBT芯片上部分并联键合线来近似等效模块因加速老化而产生的状态变化。在剪线前后测取了IGBT的饱和压降Vcesat与结温Tj和集电极电流Ic的三维关系曲面Vcesat=f（Ic,Tj），在对比分析剪线前后曲面差别的基础上得出如下结论：在确定工作点下的饱和压降Vcesat的变化可真实反映模块状态的变化，并且可由Vcesat的变化大小来反映IGBT模块状态变化的程度，此种方法相比其他方法能最大限度地避免对器件健康状态的误判。