在一些電力電子應(yīng)用場(chǎng)合，不僅需要高壓IGBT模塊有優(yōu)異的性能，還需要具有相當(dāng)高的可靠性；為了滿足實(shí)際需求，希望高壓IGBT模塊的壽命能達(dá)到30年，所以，高壓IGBT模塊的壽命預(yù)估非常重要。以前，盡管我們都知道濕度會(huì)對(duì)高壓IGBT模塊的壽命產(chǎn)生很大影響，但是沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的壽命預(yù)估模型把濕度因素考慮進(jìn)來(lái)。三菱電機(jī)持續(xù)研究濕度對(duì)高壓IGBT模塊可靠性的影響，從而得到新的高壓IGBT模塊的壽命預(yù)估模型，通過(guò)這個(gè)模型來(lái)預(yù)估高壓IGBT的壽命。同時(shí)，三菱電機(jī)通過(guò)采用SCC(Surface Charge Control)技術(shù)開(kāi)發(fā)了新一代高壓IGBT模塊，具有抵御高濕度的能力。

 

 

失效機(jī)理

 

三菱電機(jī)對(duì)濕度引起的失效模式進(jìn)行了研究。高濕引起高壓IGBT模塊的失效機(jī)理詳見(jiàn)PCIM 2015論文[2]。

 

 

一般來(lái)說(shuō)，擊穿電壓會(huì)隨著IGBT芯片邊緣電荷量QSS的增加而降低。圖1為6.5kV 高壓IGBT芯片的擊穿電壓隨著QSS變化的曲線圖。高濕度工況下的失效機(jī)理如下所述。

 

當(dāng)給集電極和發(fā)射極之間施加電壓，高壓IGBT內(nèi)部的凝膠會(huì)被電極化，芯片的邊緣會(huì)累積電荷QSS，同時(shí)，凝膠中的濕氣會(huì)加速電荷的集聚，此時(shí)，其擊穿電壓在高濕環(huán)境下會(huì)下降。所以濕度和電壓會(huì)加速IGBT模塊的退化，同時(shí)溫度也會(huì)加速IGBT模塊的退化。

 

三菱電機(jī)通過(guò)采用新的IGBT芯片邊緣技術(shù)SCC（Surface Charge Control）提高了高壓IGBT模塊在抵御高濕度方面的魯棒性。

 

為了抑制IGBT芯片邊緣電荷集聚，SCC技術(shù)采用了優(yōu)化的半絕緣性材料替代傳統(tǒng)的絕緣材料，這個(gè)半絕緣性層為集聚的載流子提供了通路，如圖3所示，在高濕工況下，產(chǎn)生的載流子會(huì)通過(guò)半絕緣層傳遞出去，避免了電荷的大量集聚。

 

 

C. Zorn介紹了考慮濕度、溫度和電壓的加速模型[1]。

 

 

公式中，αf為測(cè)試的加速因子，也就是加速（后綴為a）測(cè)試條件下MTTF（Mean Time To Failures，平均無(wú)故障時(shí)間）與參考（后綴為u）測(cè)試條件下MTTF之比。EA是活化能，在0.79eV和0.95eV之間，k為玻爾茲曼常數(shù)。指數(shù)x為相對(duì)濕度的影響，指數(shù)y為電壓的影響，都是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是必須通過(guò)實(shí)際評(píng)估來(lái)確認(rèn)。我們把此加速模型擴(kuò)展到壽命預(yù)估模型中。

 

濕度的壽命模型為：

 

 

濕度加速因子：

 

 

溫度加速因子：

 

 

電壓加速因子：

 

 

其中：LTb:在參考條件下的基本壽命；

 

RH[%]: 用于壽命計(jì)算的外界環(huán)境相對(duì)濕度；

 

T[℃]:用于壽命計(jì)算的外界環(huán)境溫度；

 

V[V]:用于壽命計(jì)算的電壓；

 

參考條件下的相對(duì)濕度為：RHu=75%。

 

參考條件下的環(huán)境溫度為：Tu=25℃。

 

參考條件下的電壓為：Vu=1500V。

 

相對(duì)濕度的經(jīng)驗(yàn)影響因子為x。

 

電壓的經(jīng)驗(yàn)影響因子為y。

 

活化能EA=0.79eV。

 

玻爾茲曼常數(shù)k=8.62×10-5eV/K。

 

LT是考慮濕度、溫度和電壓的預(yù)估壽命，公式中的參數(shù)，LTb是參考條件下的基本壽命，與每個(gè)高壓IGBT模塊的結(jié)構(gòu)相關(guān)，濕度加速因子πH，溫度加速因子πT，電壓加速因子πV，其它的參數(shù)來(lái)自加速模型。在此壽命估算模型中，活化能EA定義為最小值0.79eV。同時(shí)，參考條件，RHu=75%和Tu=25℃是東京8月份的平均環(huán)境條件。除此之外，Vu=1500V為直流網(wǎng)壓。

 

 

3.3kV高壓IGBT的溫濕反偏試驗(yàn)是在以下三個(gè)條件下測(cè)試：測(cè)試條件A（Ta=85℃，相對(duì)濕度=85%， VCE=2800V），測(cè)試條件B（Ta=85℃，相對(duì)濕度=95%， VCE=2800V），測(cè)試條件C（Ta=85℃，相對(duì)濕度=95%， VCE=2000V），測(cè)試結(jié)果如圖4，圖5和圖6所示。

 

根據(jù)失效機(jī)理，濕度引起的失效應(yīng)該在芯片的邊緣區(qū)域。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的失效點(diǎn)，同樣在芯片的邊緣，如圖7所示。

 

 

 

 

如圖4所示，在測(cè)試條件A的平均壽命為3023個(gè)小時(shí)。同樣，如圖5所示，在測(cè)試條件B的平均壽命為309個(gè)小時(shí)。所以，從相對(duì)濕度85%到相對(duì)濕度95%，加速因子αf_A-B通過(guò)計(jì)算為3023/309=9.78。相對(duì)濕度的經(jīng)驗(yàn)影響因子x通過(guò)下式計(jì)算：

 

 

這里RHa_testB=95%, RHa_testA=85%, 所以上式的計(jì)算結(jié)果x=20.5。

 

如圖5所示，在測(cè)試條件B的平均壽命為309個(gè)小時(shí)。同樣，如圖6所示，在測(cè)試條件C的平均壽命為490個(gè)小時(shí)。所以，從電壓2000V到電壓2800V，加速因子αf_C-B通過(guò)計(jì)算為490/309=1.59。電壓的經(jīng)驗(yàn)影響因子y通過(guò)下式計(jì)算：

 

 

這里Va_testB=2800V, Va_testC=2000V,, 所以上式的計(jì)算結(jié)果y=1.37。

 

 

 

這里，參考條件定義為RHu=75%，Tu=25℃和Vu=1500V。通過(guò)公式（1），可以得到測(cè)試條件A中的加速因子αf_A為5.31k，測(cè)試條件B中的加速因子αf_B為52.0k，測(cè)試條件C中的加速因子αf_B為32.8k。綜合這些加速因子，溫濕反偏試驗(yàn)測(cè)試A、測(cè)試B和測(cè)試C轉(zhuǎn)換為如表1、表2和表3所示的參考條件。

 

 

以上失效點(diǎn)集成為圖8所示的威布爾曲線圖，從圖中可以得到，在參考條件下F(t)=10%的壽命為1210年。同時(shí)，在此威布爾分析中，排除了最大點(diǎn)和最小點(diǎn)。所以，在參考條件下，3.3kV IGBT的壽命LTb=1210年。

 

 

所有參數(shù)通過(guò)溫濕反偏試驗(yàn)A、試驗(yàn)B和試驗(yàn)C得到確認(rèn)。所以新的壽命預(yù)估模型如下：

 

濕度加速因子：

 

 

溫度加速因子：

 

 

電壓加速因子：

 

 

LTb=1210年，Tu=25℃，Vu=1500V，x=20.5，y=1.37，EA=0.79eV，k=8.62×10-5 eV/K

 

新的壽命預(yù)估模型僅考慮了濕度引起的失效，但是在實(shí)際運(yùn)行時(shí)必須考慮除了濕度以外其它因素引起的失效。

 

 

通過(guò)以上壽命預(yù)估模型，可以預(yù)估3.3kV IGBT在不同工況下的壽命。圖9展示了壽命預(yù)估結(jié)果，包含了在直流1500V下1年、30年和1000年的溫度濕度矯正曲線。通過(guò)這些曲線，我們可以看到3.3kV IGBT有足夠強(qiáng)的抵御濕度能力。

 

 

從上圖可以看出，相對(duì)濕度增加11%或者溫度增加40℃，都會(huì)造成壽命從1000年減為30年，所以，相對(duì)來(lái)說(shuō)，相對(duì)濕度的影響比溫度影響更大。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)變流器內(nèi)部升溫時(shí)，絕對(duì)濕度會(huì)保持不變。如果環(huán)境條件從溫度38.9℃、相對(duì)濕度83.0%變?yōu)闇囟?2.6℃、相對(duì)濕度68.8%，但是絕對(duì)濕度值保持40g/m3，壽命會(huì)從30年增加到1000年。所以，預(yù)加熱是一種非常有效的抑制濕度失效的方法。

 

當(dāng)然，1000年的計(jì)算值僅僅是考慮濕度情況下的壽命，如果考慮上其它因素，比如溫度循環(huán)壽命等，IGBT模塊實(shí)際壽命在實(shí)際中并沒(méi)有這么長(zhǎng)。

 

同時(shí)，以上壽命預(yù)估模型是基于溫濕反偏試驗(yàn)，所以沒(méi)有考慮溫度快速變化的情況。特別當(dāng)快速冷卻會(huì)造成凝露，比高濕工況更加嚴(yán)酷。在實(shí)際工況中，這種溫度快速變化的工況也應(yīng)該考慮。為了防止凝露，同樣的，預(yù)加熱是一種有效的手段。

 

 

本文介紹了考慮濕度影響的壽命預(yù)估模型。通過(guò)這個(gè)模型，得到了1500V情況下的1年、30年和1000年的溫度濕度矯正曲線，并且確認(rèn)了3.3kV IGBT模塊具有足夠的抑制濕度失效的能力。

 

同時(shí)，本文確定了高濕會(huì)對(duì)高壓IGBT模塊的壽命產(chǎn)生很大的影響，所以如果變流器在高濕工況下時(shí)，必須考慮濕度帶來(lái)的影響。預(yù)加熱是一種非常有效的抑制濕度失效的方法。

 

 

[1]Christian Zorn, Nando Kaminski, “Acceleration of Temperature Humidity Bias(THB) Testing on IGBT Modules by High Bias Levels,” 2015 IEEE

 

[2]N. Tanaka, et al., “Robust HVIGBT Modules Design against High Humidity,” PCIM Europe2015

 

[3]Shigeto Honda, Tatsuo Harada, Akito Nishii, Ze Chen, Kazuhiro Shimizu, “HighVoltage Device Edge Termination for Wide Temperature Range plus Humidity withSurface Charge Control (SCC) Technology,” ISPSD 2016.

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