0 引言

　　絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）已成為高頻大電流電力電子變換系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種功率半導(dǎo)體器件,。據(jù)國外調(diào)查顯示[1],，在電力電子變換器中功率半導(dǎo)體器件是最脆弱的部分，故障率為31%,。運(yùn)行過程中功率器件損壞主要是由于功率波動導(dǎo)致溫度波動產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力致使器件及封裝的機(jī)械形變和疲勞損傷累計(jì)[2-3],，最終導(dǎo)致IGBT器件失效，鋁鍵合線脫落是其最主要的失效模式之一,。因此，監(jiān)測IGBT鋁鍵合線狀態(tài)即檢測其早期故障,，是提高其運(yùn)行可靠性的重要方法,。

　　近年來，國內(nèi)外對鋁鍵合線失效,、狀態(tài)監(jiān)測方面已有了大量研究,。在失效分析方面，主要是通過仿真研究鋁鍵合線脫落對模塊性能的影響[4-6],。在狀態(tài)監(jiān)測方面,，鋁鍵合線失效首先會影響IGBT模塊內(nèi)部的布局，進(jìn)而影響其端部特性[7-10],，比如飽和壓降,、門極信號、閾值電壓,、關(guān)斷時(shí)間等都可以作為狀態(tài)監(jiān)測參量反映器件的老化狀態(tài),。總的來說，在IGBT器件失效機(jī)制和可靠性評估方面研究已經(jīng)有了很大進(jìn)展?，F(xiàn)有可靠性評估方法各有優(yōu)勢,，但也有其局限性。通過綜合對比,，本文采用門極電壓的動態(tài)變化作為識別IGBT鋁鍵合線故障的特征信號,。

　　鍵合線脫落導(dǎo)致IGBT芯片內(nèi)部等效電路發(fā)生變化，而這種變化會表現(xiàn)在門極電信號上,。由于雜散阻抗難以測量,，故可以通過門極電壓信號的變化間接反映故障對雜散阻抗的影響。本文通過實(shí)驗(yàn)測取VGE,，分析其在鋁鍵合線故障過程中的變化規(guī)律,，在此基礎(chǔ)上利用小波并能量熵理論對門極電壓信號進(jìn)行次小波包分解并提取故障特征信息，為IGBT狀態(tài)監(jiān)測提供了依據(jù),。

1 IGBT模塊的失效機(jī)理及結(jié)構(gòu)特性

　　1.1 失效機(jī)理

　　研究功率器件失效機(jī)理是對其進(jìn)行狀態(tài)評估的基礎(chǔ),。圖1為IGBT模塊的層狀結(jié)構(gòu)。各層材料的熱膨脹系數(shù)(CET)不同,，使得模塊承受熱沖擊或循環(huán)加熱冷卻時(shí),，不同材料的熱機(jī)械應(yīng)力不同導(dǎo)致鍵合線熔斷或脫落，最終導(dǎo)致IGBT模塊失效,。當(dāng)器件在超過額定的電壓或電流范圍內(nèi)工作時(shí),，可能產(chǎn)生過電應(yīng)力，功率損耗增大,，器件局部過熱,，甚至使材料熔化，形成短路或開路,，也就是說電應(yīng)力還會過渡到熱應(yīng)力,，最終導(dǎo)致芯片失效。

圖1  IGBT封裝結(jié)構(gòu)示意圖

　　通過上述分析,，IGBT的失效過程可以概括為：器件工作過程中,，熱應(yīng)力、電應(yīng)力等因素使得IGBT模塊內(nèi)部的物理參數(shù)發(fā)生變化,，通過鋁鍵合線的電流重新均流,，使得通過個別鋁鍵合線的電流增大，從而加速鋁線的熔斷,，當(dāng)所有鋁鍵合線都脫落時(shí)就會造成芯片失效,。

　　1.2 結(jié)構(gòu)特性

　　鋁鍵合線發(fā)生脫落故障后影響IGBT器件整個雜散參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。門極電路的雜散參數(shù)來自于鋁鍵合線和IGBT芯片,。

　　鋁鍵合線與芯片都包含有雜散電阻,、雜散電感,、和雜散電容，各鋁鍵合線之間還存在互感,，為簡化分析,，鋁鍵合線之間的互感忽略不計(jì)，且認(rèn)為與鋁鍵合線有關(guān)的參數(shù)主要是雜散電阻和雜散電感,，每根鋁線分別有雜散電阻和雜散電感的串聯(lián),與IGBT芯片有關(guān)的雜散參數(shù)主要是雜散電容,。

　　IGBT芯片由MOSFET和BJT兩部分組成，圖2為IGBT芯片的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu),。與MOSFET相關(guān)的雜散電容參數(shù)包括：門-源極金屬化電容CM,，門-源極金屬氧化電容COXS，門-漏極交疊氧化電容COXD,，門-漏極交疊耗盡層電容CGDJ,，門-漏極交疊耗盡層電容CDSJ，其中CM與COXS組成CGE,，COXD與CGDJ組成CGC,；與BJT相關(guān)的雜散參數(shù)包括：射-集電極重分布電容CCER，基-集電極擴(kuò)散電容CEBD,，基-集電極耗散電容CEBJ,，基極電導(dǎo)調(diào)制電阻RB。

圖2  IGBT芯片的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 鋁鍵合線脫落故障的影響

　　由于功率波動等因素造成鋁鍵合線脫落故障時(shí),，首先會改變其自身的雜散電阻和雜散電感,。門-射極電壓與終端電容有著直接的關(guān)系，所以鋁鍵合線全部脫落會影響終端電容,，進(jìn)而又影響門-射極電壓,。

　　2.1 鍵合線脫落對門極雜散阻抗的影響

　　鋁鍵合線是實(shí)現(xiàn)電連接的關(guān)鍵，通常為幾根并聯(lián),，每根鍵合線上由雜散電阻和雜散電感串聯(lián)而成,，如圖3。當(dāng)部分鍵合線脫落,、斷裂或翹曲時(shí)，并聯(lián)根數(shù)減少,，鋁鍵合線的等效雜散電感和雜散電阻增大,。

圖3  雜散電阻和雜散電感等效電路

　　鋁鍵合線故障也會影響終端電容，大電流的IGBT模塊中每個單元通常由兩個或更多IGBT芯片并聯(lián),，圖4為IGBT芯片的門極等效電路,。CGC和CGE是影響門極電壓的主要參數(shù)，CCE的影響可忽略,。

圖4  IGBT芯片門極等效電路

　　CGE計(jì)算公式為：

　　式中,，AGE表示柵極多晶硅與發(fā)射極的金屬重疊面積,，dOX_GE表示他們之間的氧化層厚度，分別為真空介電常數(shù)和氧化層介電常數(shù),。鋁鍵合線全部脫落導(dǎo)致CGE減小,。

　　米勒電容CGC由COXD和CGDJ組成，計(jì)算公式分別為：

　　由公式可知CGDJ的值與VCE有關(guān),，因此在開通暫態(tài)過程中門-集極等效電容CGC并不是固定的值：

　　其中,，AGD為IGBT芯片中MOSFET部分門-漏極交疊面積；q為電子電荷,；NB為基區(qū)的摻雜濃度,；εsi為硅的介電常數(shù)。由于鍵合線全部脫落會使AGD減小,，CGDJ和COXD隨之減小,，因此CGC減小。

　　由上述分析可知,，鋁鍵合線部分脫落影響其等效雜散電阻和雜散電感,，全部脫落后還會影響其等效雜散電容值。又由于柵極等效電容與鋁鍵合線電阻數(shù)量級上的差異,，鋁鍵合線全部脫落時(shí),，雜散電容變化對門極電壓的影響占主導(dǎo)。

　　2.2 雜散阻抗變化對門極電壓波形的影響

　　IGBT模塊雜散參數(shù)的變化導(dǎo)致門極開通電壓波形發(fā)生改變,。根據(jù)VCE和VGE的變化可將IGBT的開通暫態(tài)過程分為圖5所示的3個階段：

圖5  IGBT器件開通暫態(tài)過程

　　階段1(t1<t<t2)：門極電壓VGE開始上升但還未達(dá)到VGE(th),，IGBT器件仍然處于關(guān)斷狀態(tài)。門極電流給CGE和CGDJ充電,，充電時(shí)間常數(shù)為τ=(Rw+Rg)(CGE+CGDJ),。鋁鍵合線部分故障雜散電阻增大，因此門極電壓上升時(shí)間增大,，上升速度減緩,；芯片失效導(dǎo)致CGE減小，即門極回路內(nèi)部雜散電容減小,，所以門極電壓上升時(shí)間減小,，上升速度加快。

　　階段2(t2<t<t3)：門極電壓超過VGE(th),，IGBT器件導(dǎo)通,。米勒電容CGC的存在，使得VGE出現(xiàn)米勒平臺期,，恒流源全部向CGC充電,，因此米勒平臺持續(xù)時(shí)間與CGC有關(guān)。鍵合線全部脫落導(dǎo)致CGC減小,，所以米勒平臺持續(xù)時(shí)間會縮短,。捕捉米勒平臺需要示波器具有很高的分辨率,。

　　階段3(t3<t<t4)：VCE下降至通態(tài)飽和壓降，VGE逐漸上升至穩(wěn)態(tài)值,。由式(3)可知,，CGC=COXD為常數(shù)。同階段一,，鋁鍵合線部分故障VGE上升速度減慢,，芯片失效時(shí)VGE上升速度加快。

　　綜上可知,，第一階段和第三階段具有相同的變化規(guī)律,，故在未能捕捉到米勒平臺的情況下，可將第一,、三階段聯(lián)合起來分析,。

3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果

　　在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際工況下功率循環(huán)等因素造成IGBT器件鋁鍵合線故障。研究鋁鍵合線脫落過程中門極電壓的變化規(guī)律,。

　　圖6為開關(guān)特性測試電路,，Vdc=450 V，驅(qū)動電壓高電平+15 V,，頻率為10 kHz,，負(fù)載阻抗為3 mH，20 Ω,，柵極電阻Rg=10 Ω,，示波器采樣頻率為1.25 GS/s。測量鋁鍵合線正常和分別脫落1-6根時(shí)IGBT模塊的門極開通電壓VGE,，圖7為正常和鋁鍵合線發(fā)生脫落故障時(shí)門極開通電壓波形比照圖,。

圖6  測試電路

　　由圖可以看出，當(dāng)一塊IGBT芯片上的鋁鍵合線全部脫落即芯片失效時(shí),，VGE波形明顯向左上方偏,，即上升速率增大；當(dāng)鋁鍵合線發(fā)生部分脫落故障時(shí),，VGE波形向右下方偏,，即上升速率減小，而且由于各種寄生參數(shù)的存在,，其波形并不是隨著鋁鍵合線脫落根數(shù)的增加逐漸向下偏而是有所交叉,。由于我們目的不是準(zhǔn)確判斷幾根鋁鍵合線脫落而是鋁鍵合線是否已經(jīng)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，而且一根鋁鍵合線脫落會加速其他鋁鍵合線脫落,，所以只要監(jiān)測出VGE發(fā)生異常就應(yīng)該及時(shí)更換IGBT模塊。

圖7  鋁鍵合線正常和故障時(shí)門極電壓波形

4 故障特征信息提取

　　故障初期VGE波形變化可能不明顯,，人眼辨識存在一定的局限性,，這就要求對所測信號進(jìn)行處理,，以便抽取出有用的故障信息或找出區(qū)別于電路正常工作信號的特征。本節(jié)將小波分析與信息熵結(jié)合,，將小波包分解的能量信號作為故障特征量,，求取其能譜熵值，通過熵值的變化來判斷IGBT器件是否發(fā)生鋁鍵合線故障,。

　　將小波變換與信息熵結(jié)合,，可以得到信號的小波能譜熵、小波時(shí)間熵等定義及其計(jì)算方法,。IGBT器件老化失效使得VGE發(fā)生變化,，意味著電壓的頻譜不一樣，相應(yīng)的各頻帶信號的能量也會發(fā)生變化,，因此本文選用小波能譜熵的計(jì)算方法進(jìn)行分析,。

　　設(shè)E=E1，E2,，…,，Em，為信號VGE在m尺度上的小波能譜,。根據(jù)正交小波變換特性,，某一時(shí)間窗內(nèi)信號的總功率E等于各分量功率Ej之和，設(shè)pj=Ej/E,，則∑pj=1,，相應(yīng)的小波能譜熵的定義為：

　　式中pj表示尺度Ej的能量占整個函數(shù)能量的百分比，各分量的功率為：

　　式中,，Dj(n)為小波分解系數(shù),，n為采樣點(diǎn)數(shù)。為克服小波分解在高頻段頻率分辨率較差而在低頻段時(shí)間分辨率差的問題,，本文采用更精細(xì)的小波包分解,。

　　小波能譜熵代表信號在各個小波尺度上能量分布均勻性。信號頻率成分越簡單,，信號能量就越集中于少數(shù)幾個尺度上,，小波能譜熵就越小[11]。

　　按照式(5),、式(6)對電壓信號進(jìn)行小波包分解并計(jì)算能譜熵得到表1結(jié)果,。

　　從表1可以看出，VGE的能譜熵可以作為表征鋁鍵合線脫落故障的特征值,。當(dāng)鋁鍵合線發(fā)生脫落1-5根時(shí),，VGE的能譜熵值減小26%~37%，雖然沒有隨鋁鍵合線故障根數(shù)增加嚴(yán)格遞減,，但是相對于正常情況下也發(fā)生了較大變化,；當(dāng)鋁鍵合線全部脫落時(shí),，其能譜熵值增大了99.96%，較正常值發(fā)生了很大變化,。故用小波能譜熵的分析方法對IGBT鋁鍵合線的脫落故障進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測是可行的,，這種方法物理意義明確且容易實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

　　本文在分析鋁鍵合線故障對雜散阻抗和門極電壓的影響的基礎(chǔ)上,，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M鋁鍵合線脫落故障并測量門極電壓變化,，得出如下結(jié)論：

　　(1)鋁鍵合線故障前后，門極開通電壓發(fā)生了變化且表現(xiàn)出一定的規(guī)律：部分鋁鍵合線脫落VGE向右下角方向偏,，全部脫落時(shí)其波形向左上角方向偏,。

　　(2)通過小波能譜熵算法計(jì)算鋁鍵合線故障前后的能譜熵值，故障值較正常值變化明顯,，結(jié)果直觀,、準(zhǔn)確，為實(shí)現(xiàn)IGBT器件的狀態(tài)監(jiān)測提供了依據(jù),。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Yang Shaoyang,，BRYANT A，MAWBY P,，et al．An industrybased survey of reliability in power electronic converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,，2011，47(3)：1441-1451.

　　[2] Jonas Sjolte,，Gaute Tjensvoll,，Marta Molinas.Reliability analysis of IGBT inverter for wave energy converter with focus on thermal cycling[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2014,1-7.

　　[3] 賴偉,，陳民鈾,，冉立，等.老化試驗(yàn)條件下的IGBT失效機(jī)理分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),，2015(20)：5293-5300.

　　[4] 禹鑫,，杜明星，竇汝振,，等.IGBT功率模塊鍵合線故障下的溫度特性研究[J].電力電子技術(shù),，2015(2)：55-57.

　　[5] 王春雷，鄭利兵,，方化潮,，等.鍵合線失效對于IGBT模塊性能的影響分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014(S1)：184-191.

　　[6] JI B,，PICKERT V,，CAO W P，et al.Onboard condition monitoring of solder fatigue in IGBT power modules[C].IEEE International Symposium onDiagnostics for Electric Machines，Power Electronics and Drives(SDE MPED),，2013,9-15.

　　[7] Nishad PatH,，Diganta Das，Kai Goebel,，et al.Identification of failure precursor parameters for insulated gate bipolar transistors(IGBTs)[C].International Conference on Prognostics and Health Management，2008,1-5.

　　[8] Wei Kexin,，Du Mingxing,，Xie Linlin，et al.Study of bonding wire failure effects on external measurable signals of IGBT module[J].IEEE Journals Magazines,，2014,，14(1)：83-89.

　　[9] 楊旭.基于飽和壓降測量的IGBT功率模塊狀態(tài)評估方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

　　[10] 周雒維,，周生奇,，孫鵬菊.基于雜散參數(shù)辨識的IGBT模塊內(nèi)部缺陷診斷方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012(5)：156-163.

　　[11] 曾慶虎,，劉冠軍,，邱靜.基于小波相關(guān)特征尺度熵的預(yù)測特征信息提取方法研究[J].中國機(jī)械工程，2008(10)：1193-1196.