如何正確理解功率循環(huán)曲線

近年來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)曲線來評估。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引起結(jié)合點的老化，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，其定義是測試開始時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%時的循環(huán)次數(shù)；圖中的實線表示數(shù)據(jù)是實驗室測試值，虛線是通過數(shù)學(xué)模型仿真得到的數(shù)值。圖中右面給出了測試條件，典型的測試循環(huán)周期是3秒，其中開通關(guān)斷各1.5秒；測試的最高溫度是150攝氏度，有時也會給出100攝氏度、125攝氏度的曲線。

如果僅僅了解這些，那對功率循環(huán)曲線是不夠的。因為測試的條件以及失效條件會極大地影響到循環(huán)能達(dá)到的數(shù)值。

1?

脈沖寬度對PC曲線的影響

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

從上述測試條件的描述可以看出，在這四種測試方法中，對于相同的被測對象測試結(jié)果差異很大。第一種測試方法由于沒有任何補(bǔ)償，測試條件最苛刻，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，因此測試循環(huán)次數(shù)相對較多。德國Chemnitz大學(xué)的研究人員對600V 50A的EasyPACK做了對比試驗，測試結(jié)果如下圖所示。從圖中可以看出，恒定開通關(guān)斷測試得到的循環(huán)次數(shù)最短（黑色線），恒定結(jié)溫波動的循環(huán)次數(shù)最多（紫色線）。其原因是在第一種測試方法中，隨著測試的進(jìn)行器件飽和電壓上升，由于開通脈沖時間固定，所以每個脈沖能量是增加的，因此結(jié)溫變化也會高于初始值；英飛凌采用恒定開通和關(guān)斷時間的測試方法。

2?

失效判定條件對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，一般而言測試需要的一定數(shù)量的樣品，通常選擇72個芯片，依照概率統(tǒng)計的方法選95%的置信度作為最后的統(tǒng)計值。也就是說廠家給出的功率循環(huán)次數(shù)值其實是在某一置信度條件下的概率統(tǒng)計值，如果置信度給的不一樣，那最后的結(jié)果也會不一樣。在實際應(yīng)用中，如果僅僅測試幾個樣品，得到的結(jié)論往往是不夠全面。

3?

實際開通時間對PC曲線的影響

一般廠家給出的測試周期是3秒， 但在實際工作中， 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，一個周波為0.1s，考慮一個IGBT 開關(guān)的持續(xù)開通時間為50ms，在這個期間IGBT 的溫度持續(xù)上升，在下一個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、開通時間等因素對于IGBT 壽命影響的數(shù)學(xué)模型?；谏鲜隼碚撘约皩嶒炃蠼?，英飛凌給出了開通時間影響的參考曲線，如下圖所示。從圖中可以看出，開通時間短，器件的功率循環(huán)次數(shù)變長。究其原因主要是由于在秒級循環(huán)測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。

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引起的可靠性問題。

2

功率循環(huán)測試有四種不同的測試方法，對于同一個被測對象，測試結(jié)果有很大差異。其中恒定導(dǎo)通和關(guān)斷時間的測試方法，其測試條件最為苛刻，因而測試的循環(huán)次數(shù)也最短，帶有補(bǔ)償?shù)钠溆嗳N測試方法，其測試循環(huán)次數(shù)會變長。

3

需要考慮開通時間對于IGBT功率循環(huán)的影響，廠家給出的數(shù)據(jù)一般都是秒級的，需要依據(jù)實際開通時間做折算。

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)計結(jié)果。如果只是測試少量幾個樣品，得到的結(jié)論往往是不夠全面的。

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