CN113406466A - 一种igbt模块封装老化在线健康管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种IGBT模块封装老化在线健康管理方法及系统，包括以下步骤：（1）使用电流传感器测量并记录每个IGBT模块开通时，集电极电流的上升率；（2）将采集到的电流上升率代入到仿真模型当中得到电流上升畸变率；（3）根据电流上升畸变率和外壳温度对IGBT模块封装进行健康状态评估，检测及定位老化模块。本发明还包括一种IGBT模块封装老化在线健康管理系统。利用本发明，能够在高频工作状态下在线进行模块老化健康管理。

Description

一种IGBT模块封装老化在线健康管理方法及系统

技术领域

本发明属于IGBT模块健康管理领域，具体涉及一种IGBT模块封装老化在线健康管理方法及系统。

背景技术

绝缘栅双极性晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT)目前已成为电力系统领域使用最广泛的电力电子器件之一，其通流承压能力决定了电力系统的容量。目前，针对单个IGBT芯片无法承受过高的电压及电流的问题，通常的解决方法是将多个芯片集成在一个模块内部，同时将多个模块并联构成一个系统以提升系统的功率等级。与此同时，在一些多电平变频器当中，也存在多个电力电子器件同时导通的情况。这就使得如何有效的在并联模式下的进行状态检测与健康管理变得十分重要。在理想情况下，并联使用的IGBT在开通及关断过程中的电流分配会完全相同。而在实际应用当中，由于制作工艺以及使用环境的细微差别，会导致其电流分配并没有那么均衡。然而即使在这种情况下，系统仍然能够正常工作。但是在器件发生老化后，会扩大电流的不均衡效应，从而影响整个系统的运行。因此，定期对系统内模块进行健康管理时保证系统能够稳定运行的关键。

在电力系统领域，突发的故障往往会导致很严重的后果，造成极大的经济损失。如何在故障发生前对潜在的失效因子进行及时的监测逐渐成为关键问题。在这之中，由封装老化引发的渐变失效往往更难预测，因为其故障是一个由量变到质变的过程。在封装的早期老化中，通常伴随的是焊料层的空洞和键合线的断裂，这对于整个模块的正常运行并没有任何影响。但是当焊料层空洞逐渐增加，键和线断裂的数量逐渐增多时，会导致结温升高，电热应力过大等问题，造成芯片脱落等问题，从而导致系统的短路和断路。无论以何种模式老化，在老化过程中，对于并联模块的电压和电流的变化与单管的电压和电流的变化都大有不同，为目前健康管理的真空。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种可在高频工作状态下在线对潜在的失效因子进行监测的IGBT模块封装老化在线健康管理方法及系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种IGBT模块封装老化在线健康管理方法，包括以下步骤：

步骤一：根据并联IGBT模块中各个IGBT模块开通时的集电极电流上升率确定老化IGBT模块；

步骤二：记录系统开始运行时各个并联IGBT模块开通过程中的电流上升率，将各个模块的电流上升率进行比值，作为基准值；

步骤三：提取系统运行过程中，各个并联IGBT模块开通过程中的电流上升率并进行比值，并将其与基准值进行比较，定位老化模块。

进一步，由

确定各老化模块的电流上升畸变率，其中，di_c和di_c'为测量的两个IGBT模块的电流上升率，β为系统开始运行时所记录的上升率比值，β'为系统在老化检测时所测得的上升率比值，γ为电流上升畸变率；在获得电流上升畸变率之前，所述方法还包括：定期测试各个模块开通时的集电极电流上升率。

进一步，判断老化模块是否达到老化的标准包括：判断电流上升畸变率γ是否达到阈值，若达到阈值，则判定器件发生老化，须根据实际情况更换器件或降额使用。

进一步，判断所述老化模块的老化类型，包括以下标准：

比较老化模块外壳温度与正常模块的外壳温度，若老化模块的外壳温度小于正常模块的外壳温度，判定为键合线老化；若老化模块的外壳温度等于正常模块的外壳温度，则判定为焊料层老化。

进一步，所述键合线老化的健康管理模型为：

若

则

所述焊料层老化的健康管理模型为：

若

则

其中，

和

分别为所测量两个模块的模块跨导，

和

为所测量两个模块的栅射极电压，

和

为所测量两个模块的键合线电阻，

和

分别为所测量两个模块的芯片跨导，T_j为IGBT模块内部芯片温度，T_typ为IGBT模块手册所设置的经典芯片温度，取值25℃，T_max为IGBT模块芯片温度的最大值，取值175℃，g_{m_max}和g_{m_typ}为IGBT模块分别在T_max和T_typ两个温度下的模块跨导，k和b为化简之后的常数，

和

分别为两个模块的温度，P_loss为模块内部芯片的损耗，r_jc为IGBT模块的结壳热阻，T_c为IGBT模块的外壳温度，Δr为芯片发生焊料层老化时引起的热阻增量。

进一步，根据老化类型判定老化失效标准，包括：

若所述IGBT模块的老化类型为键合线老化，则根据电流上升畸变率由键合线老化的健康管理模型求出IGBT模块键合线电阻变化量，若超过10％，则判定为键合线老化失效。

若所述IGBT模块的老化类型为键合线老化，则根据电流上升畸变率由焊料层老化的健康管理模型求出IGBT模块焊料层热阻变化量，若超过20％，则判定为焊料层老化失效。

一种IGBT模块封装老化在线健康管理系统，包括IGBT模块封装老化在线健康管理方法。

本发明根据IGBT模块应用发展现状，对IGBT模块开关暂态的电气特性进行详细研究，在开关暂态的基础之上，研究模块并联对于开关电流的影响，建立了一种基于暂态开关电流的健康管理方法，通过实时电流检测，可以在线发现封装内部潜在老化失效，从而避免由器件老化所造成的系统性故障。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图；

图2是本发明实施例中并联模块开通过程的等效电路图；

图3是本发明实施例中故障模块与正常模块的集电极电流分布仿真结果图，其中，(a)为6根键合线脱落时各个模块的电流分布仿真图，(b)为4根键合线脱落时各个模块的电流分布仿真图，(c)为2根键合线脱落时各个模块的电流分布仿真图，(d)为1根键合线脱落时各个模块的电流分布仿真图；

图4是本发明实施例中故障模块与正常模块的集电极电流分布实验结果图，其中，(a)为四根键合线脱落时两个模块的电流分布实验图，(b)为两根键合线脱落时两个模块的电流分布实验图，(c)为正常时两个模块的电流分布实验图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照附图1，本实施例包括以下步骤：

S1：提取并记录并联IGBT模块系统开始运行时各个IGBT模块在开通时的集电极电流上升率并进行比值，作为基准值；

S2：提取各个IGBT模块集电极电流上升率并进行比值，将其与基准值相比，获得电流上升畸变率；

在实施例中，将定期测量的各模块电流上升率与电流上升率基准值进行比较，老化后的模块的电流上升率会比正常模块的电流上升率偏小。将它们的比值定义为电流上升畸变率。

S3：提取老化模块的外壳温度，进行老化模式的判别；

其中，可以通过比较并联IGBT模块中各IGBT模块的外壳温度，将外壳温度小于其余正常模块外壳温度值的IGBT模块作为键合线老化IGBT模块，将外壳温度等于其余正常模块外壳温度值的IGBT模块作为焊料层老化IGBT模块。

S4：将电流上升畸变率代入并联IGBT模块封装老化在线健康管理模型当中，进行老化定位。

在本发明实施例中，步骤S2中电流上升畸变率率计算方法为：

其中，di_c和di_c'为测量的两个IGBT模块的电流上升率，β为系统开始运行时所记录的上升率比值，β'为系统在老化检测时所测得的上升率比值，γ为电流上升畸变率。

在本发明实施例中，步骤S4中并联IGBT模块封装老化在线健康管理模型包括键合线老化健康管理模型和焊料层老化健康管理模型，其中：

键合线老化健康管理模型为：

若

则

焊料层老化健康管理模型为：

若

则

其中，

和

分别为所测量两个模块的模块跨导，

和

为所测量两个模块的栅射极电压，

和

为所测量两个模块的键合线电阻，

和

分别为所测量两个模块的芯片跨导。T_j为IGBT模块内部芯片温度，T_typ为IGBT模块手册所设置的经典芯片温度，通常为25℃，T_max为IGBT模块芯片温度的最大值，通常为175℃，g_{m_max}和g_{m_typ}为IGBT模块分别在T_max和T_typ两个温度下的模块跨导，k和b为化简之后的常数。

和

分别为两个模块的温度，P_loss为模块内部芯片的损耗，r_jc为IGBT模块的结壳热阻，T_c为IGBT模块的外壳温度，Δr为芯片发生焊料层老化时引起的热阻增量。

并联各支路等效电路如附图2所示，每个IGBT模块电气特性可由一个电阻和一个电压源分别模拟导通电阻和开启电压压降表示，键合线可由多个电阻并联表示。开通过程的寄生电容效应可用一个并联于栅极和发射极的结电容表示。当其中一根键合线脱落时，由于所有并联模块共用一个驱动电路，因此驱动电压不会发生改变，但是键合线电阻增加的情况下，分给芯片的电压会相应下降，为本发明的基本原理。

附图3是一种故障模块与正常模块集电极电流分布仿真结果图，其中，(a)为6根键合线脱落时各个模块的电流分布仿真图，(b)为4根键合线脱落时各个模块的电流分布仿真图，(c)为2根键合线脱落时各个模块的电流分布仿真图，(d)为1根键合线脱落时各个模块的电流分布仿真图。

如附图4是一种故障模块与正常模块集电极电流分布实验验证图，其中，下方的框表示正常模块，上方的框为老化模块。

由图3和图4可已看出，IGBT集电极上升率在不同键合线根数断开的情形之下发生不同的变化，具体表现为键合线根数脱落越多，则集电极电流上升率的比值越大。

本实施例还包括一种IGBT模块封装老化在线健康管理系统，本系统应用以上介绍的IGBT模块封装老化在线健康管理方法，具体包括以下模块：

电流上升畸变率计算模块：用于提取并联IGBT模块中每个IGBT模块在开通过程中集电极电流上升率，并与初始基准值进行比较，计算得到电流上升畸变率；

老化判断模块：用于判断、定位并联IGBT模块中发生老化的模块；

健康管理模块：将所测量的电流上升畸变率与外壳温度代入到并联IGBT模块封装老化在线健康管理模型中，判定当前IGBT模块封装的健康状态，并对老化模块根据实际情况更换器件或降额使用。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也仍在本发明专利的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种IGBT模块封装老化在线健康管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据并联IGBT模块中各个IGBT模块开通时的集电极电流上升率确定老化IGBT模块；

步骤二：记录系统开始运行时各个并联IGBT模块开通过程中的电流上升率，将各个模块的电流上升率进行比值，作为基准值；

步骤三：提取系统运行过程中，各个并联IGBT模块开通过程中的电流上升率并进行比值，并将其与基准值进行比较，定位老化模块。

2.根据权利要求1所述的IGBT模块封装老化在线健康管理方法，其特征在于，由

确定各老化模块的电流上升畸变率，其中，di_c和di_c'为测量的两个IGBT模块的电流上升率，β为系统开始运行时所记录的上升率比值，β'为系统在老化检测时所测得的上升率比值，γ为电流上升畸变率；在获得电流上升畸变率之前，所述方法还包括：定期测试各个模块开通时的集电极电流上升率。

3.根据权利要求2所述的IGBT模块封装老化在线健康管理方法，其特征在于，判断老化模块是否达到老化的标准包括：判断电流上升畸变率γ是否达到阈值，若达到阈值，则判定器件发生老化，须根据实际情况更换器件或降额使用。

4.根据权利要求3所述的IGBT模块封装老化在线健康管理方法，其特征在于，判断所述老化模块的老化类型，包括以下标准：

比较老化模块外壳温度与正常模块的外壳温度，若老化模块的外壳温度小于正常模块的外壳温度，判定为键合线老化；若老化模块的外壳温度等于正常模块的外壳温度，则判定为焊料层老化。

5.根据权利要求4所述的IGBT模块封装老化在线健康管理方法，其特征在于，所述键合线老化的健康管理模型为：

若

则

所述焊料层老化的健康管理模型为：

若

则

其中，

和

分别为所测量两个模块的模块跨导，

和

为所测量两个模块的栅射极电压，

和

为所测量两个模块的键合线电阻，

和

分别为所测量两个模块的芯片跨导，T_j为IGBT模块内部芯片温度，T_typ为IGBT模块手册所设置的经典芯片温度，取值25℃，T_max为IGBT模块芯片温度的最大值，取值175℃，g_{m_max}和g_{m_typ}为IGBT模块分别在T_max和T_typ两个温度下的模块跨导，k和b为化简之后的常数，

和

分别为两个模块的温度，P_loss为模块内部芯片的损耗，r_jc为IGBT模块的结壳热阻，T_c为IGBT模块的外壳温度，Δr为芯片发生焊料层老化时引起的热阻增量。

6.根据权利要求5所述的IGBT模块封装老化在线健康管理方法，其特征在于，根据老化类型判定老化失效标准，包括以下步骤：

若所述IGBT模块的老化类型为键合线老化，则根据电流上升畸变率由键合线老化的健康管理模型求出IGBT模块键合线电阻变化量，若超过10％，则判定为键合线老化失效。

若所述IGBT模块的老化类型为键合线老化，则根据电流上升畸变率由焊料层老化的健康管理模型求出IGBT模块焊料层热阻变化量，若超过20％，则判定为焊料层老化失效。

7.一种IGBT模块封装老化在线健康管理系统，其特征在于，包括如权利要求1-6所述的IGBT模块封装老化在线健康管理方法。

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