【導讀】近年來IGBT的可靠性問題一直受到行業的廣泛關注，特別是風力發電
、軌道交通等應用領域。IGBT的可靠性通常用以芯片結溫變化為衡量目標的功率循環曲線和基板溫度變化為衡量目標的溫度循環曲線來評估。引起IGBT可靠性問題的原因主要是IGBT是由多種膨脹係數不同的材料焊接在一起，工作過程中溫度的變化會引起結合點的老化，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。

本文以功率循環曲線為例介紹如何正確理解IGBT廠家給出的功率循環曲線。

上圖是一張典型的IGBT功率循環曲線圖
，圖中橫軸是芯片結溫變化值，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%時的循環次數；圖中的實線表示數據是實驗室測試值，虛線是通過數學模型仿真得到的數值。圖中右麵給出了測試條件
，典型的測試循環周期是3秒

，其中開通關斷各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能達到的數值。

1
、脈衝寬度對PC曲線的影響

首先看一下測試脈衝寬度。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：

1 恒定導通和關斷時間

2 恒定殼溫

3 恒定功率

4 恒定結溫波動

從(cong)上(shang)述(shu)測(ce)試(shi)條(tiao)件(jian)的(de)描(miao)述(shu)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，在(zai)這(zhe)四(si)種(zhong)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)中(zhong)，對(dui)於(yu)相(xiang)同(tong)的(de)被(bei)測(ce)對(dui)象(xiang)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)差(cha)異(yi)很(hen)大(da)。第(di)一(yi)種(zhong)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)由(you)於(yu)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)補(bu)償(chang)，測(ce)試(shi)條(tiao)件(jian)最(zui)苛(ke)刻(ke)，後(hou)三(san)種(zhong)都(dou)增(zeng)加(jia)了(le)補(bu)償(chang)，或(huo)者(zhe)通(tong)過(guo)減(jian)小(xiao)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)、或者通過提高門極電壓

，因此測試循環次數相對較多。德國Chemnitz大學的研究人員對600V 50A的EasyPACK做了對比試驗
，測試結果如下圖所示。從圖中可以看出
，恒定開通關斷測試得到的循環次數最短（黑色線），恒定結溫波動的循環次數最多（紫色線）。其qi原yuan因yin是shi在zai第di一yi種zhong測ce試shi方fang法fa中zhong
，隨sui著zhe測ce試shi的de進jin行xing器qi件jian飽bao和he電dian壓ya上shang升sheng，由you於yu開kai通tong脈mai衝chong時shi間jian固gu定ding，所suo以yi每mei個ge脈mai衝chong能neng量liang是shi增zeng加jia的de
，因yin此ci結jie溫wen變bian化hua也ye會hui高gao於yu初chu始shi值zhi；英飛淩采用恒定開通和關斷時間的測試方法。

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%後認為器件失效

，一般而言測試需要的一定數量的樣品，通常選擇72個芯片
，依照概率統計的方法選95%的(de)置(zhi)信(xin)度(du)作(zuo)為(wei)最(zui)後(hou)的(de)統(tong)計(ji)值(zhi)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)廠(chang)家(jia)給(gei)出(chu)的(de)功(gong)率(lv)循(xun)環(huan)次(ci)數(shu)值(zhi)其(qi)實(shi)是(shi)在(zai)某(mou)一(yi)置(zhi)信(xin)度(du)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)概(gai)率(lv)統(tong)計(ji)值(zhi)，如(ru)果(guo)置(zhi)信(xin)度(du)給(gei)的(de)不(bu)一(yi)樣(yang)，那(na)最(zui)後(hou)的(de)結(jie)果(guo)也(ye)會(hui)不(bu)一(yi)樣(yang)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)
，如(ru)果(guo)僅(jin)僅(jin)測(ce)試(shi)幾(ji)個(ge)樣(yang)品(pin)
，得(de)到(dao)的(de)結(jie)論(lun)往(wang)往(wang)是(shi)不(bu)夠(gou)全(quan)麵(mian)。

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， 例如風力發電直驅機組，假設電機側電流周期大約10Hz，一個周波為0.1s，考慮一個IGBT 開關的持續開通時間為50ms，在這個期間IGBT 的溫度持續上升，在下一個50ms 該IGBT 芯片持續降低。Bayerer 博士，Lutz教授在CIPS 2008年的論文中給出了結溫變化

、開通時間等因素對於IGBT 壽(shou)命(ming)影(ying)響(xiang)的(de)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)。基(ji)於(yu)上(shang)述(shu)理(li)論(lun)以(yi)及(ji)實(shi)驗(yan)求(qiu)解(jie)，英(ying)飛(fei)淩(ling)給(gei)出(chu)了(le)開(kai)通(tong)時(shi)間(jian)影(ying)響(xiang)的(de)參(can)考(kao)曲(qu)線(xian)，如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)。從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，開(kai)通(tong)時(shi)間(jian)短(duan)
，器(qi)件(jian)的(de)功(gong)率(lv)循(xun)環(huan)次(ci)數(shu)變(bian)長(chang)。究(jiu)其(qi)原(yuan)因(yin)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)於(yu)在(zai)秒(miao)級(ji)循(xun)環(huan)測(ce)試(shi)中(zhong)綁(bang)定(ding)線(xian)的(de)失(shi)效(xiao)主(zhu)要(yao)以(yi)材(cai)料(liao)的(de)塑(su)性(xing)變(bian)形(xing)為(wei)主(zhu)，而(er)在(zai)幾(ji)十(shi)毫(hao)秒(miao)的(de)循(xun)環(huan)測(ce)試(shi)中(zhong)綁(bang)定(ding)線(xian)的(de)失(shi)效(xiao)模(mo)式(shi)由(you)塑(su)性(xing)變(bian)形(xing)向(xiang)彈(dan)性(xing)變(bian)形(xing)過(guo)度(du)
，因(yin)而(er)壽(shou)命(ming)變(bian)長(chang)。

通過以上學習，我們可以得到以下結論：

1. IGBT芯片存在由於溫度波動引起的可靠性問題。

2. 功gong率lv循xun環huan測ce試shi有you四si種zhong不bu同tong的de測ce試shi方fang法fa，對dui於yu同tong一yi個ge被bei測ce對dui象xiang，測ce試shi結jie果guo有you很hen大da差cha異yi。其qi中zhong恒heng定ding導dao通tong和he關guan斷duan時shi間jian的de測ce試shi方fang法fa，其qi測ce試shi條tiao件jian最zui為wei苛ke刻ke，因yin而er測ce試shi的de循xun環huan次ci數shu也ye最zui短duan，帶dai有you補bu償chang的de其qi餘yu三san種zhong測ce試shi方fang法fa
，其qi測ce試shi循xun環huan次ci數shu會hui變bian長chang。

3. 需要考慮開通時間對於IGBT功率循環的影響，廠家給出的數據一般都是秒級的，需要依據實際開通時間做折算。

4. IGBT廠家給出的功率循環曲線是基於一定樣本數量的概率統計結果。如果隻是測試少量幾個樣品，得到的結論往往是不夠全麵的。

為了計算IGBT的功率循環壽命
，英飛淩在線仿真平台IPOSIM新推出了壽命評估服務，隻需輕輕點擊幾次，即可獲取功率模塊的壽命。

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