CN114002575A - 一种igbt模块的键合线断裂状态监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT模块的键合线断裂状态监测方法及装置。该方法包括：采集IGBT模块中下桥IGBT器件的集电极电压；当判断所述集电极电压到零时，对当前集电极电压负向过冲进行采样；建立所述IGBT模块健康状态时集电极电压负向过冲的基准值；将所述当前集电极电压负向过冲和所述基准值进行比较；根据比较结果确定所述IGBT模块的运行状态。利用半桥结构动作器件关断过程的集电极电压负向过冲监测IGBT芯片失效，该方法受电容电压变化影响小，且在不同的负载电流下依然可以保持较高的变化率，能够对IGBT模块发射极键合线部分断裂进行有效监测。

Description

一种IGBT模块的键合线断裂状态监测方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体器件测量技术领域，特别是涉及一种IGBT模块的键合线断裂状态监测方法及装置。

背景技术

电力电子变换器在电动汽车、风力发电、直流输电等工业界得到了广泛的应用。电力电子变换器长期运行过程中，在故障发生之前识别性能退化的元件，是状态监测的主要目的，对电力电子器件进行状态监测是提升变换器可靠性的有效手段。绝缘栅双极晶体管(IGBT)由于结合了金属-氧化物场效应管的高开关速度以及双极结型晶体管的低导通损耗等特点得到了广泛地应用。在高压大功率的电力电子变换器的场合，例如风电变流器、牵引变流器、高压直流输电等，为提高通流能力，通常使用由多个IGBT、二极管芯片并联而成的多芯片并联IGBT模块。键合线断裂是IGBT模块的主要失效模式，对于多芯片并联的IGBT模块，由于芯片数量冗余并不会造成模块的失效。因此，键合线断裂引发的芯片失效成为多芯片并联IGBT模块状态监测的前兆失效特征。

在IGBT模块的键合线断裂状态监测方面已开展了较多研究，从监测量信号看来可分为电气量与非电气量。非电气量监测方法有热脉冲涡流成像、振动位移测量等，需要特殊的测量装置不合适在线监测应用。IGBT模块的键合线断裂会改变回路电阻、杂散电感以及电容分布等，利用电气量监测的本质是电路参数的辨识，即特征电气量的变化反应由键合线断裂引起的电路参数变化，电气量的激励源越大，相应地辨识精度越高。

目前现有的方法均未能利用集电极电压作为电路参数辨识的激励源，造成IGBT模块键合线断裂后监测相对变化量较小；此外现有的方法监测量由于激励源较小，易受干扰，误报的可能性较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种IGBT模块的键合线断裂状态监测方法及装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种IGBT模块的键合线断裂状态监测方法，包括：

采集IGBT模块中下桥IGBT器件的集电极电压；

当判断所述集电极电压到零时，对当前集电极电压负向过冲进行采样；

建立所述IGBT模块健康状态时集电极电压负向过冲的基准值；

将所述当前集电极电压负向过冲和所述基准值进行比较；

根据比较结果确定所述IGBT模块的运行状态。

可选地，建立IGBT模块健康状态时集电极电压负向过冲的基准值，

可选地，所述集电极电压负向过冲的基准值的计算公式如下：

Δv_{CEB_baseline}＝0.3v_CEBm

其中，Δv_{CEB_baseline}为集电极电压负向过冲的基准值，v_CEBm为健康状态时关断过程中集电极负向电压幅值。

可选地，所述根据比较结果确定所述IGBT模块的运行状态，具体包括：

若比较结果为当前集电极电压负向过冲小于所述基准值，则IGBT模块处于健康状态；

若比较结果为当前集电极电压负向过冲大于所述基准值，则IGBT模块中单只IGBT器件50％键合线断裂。

可选地，还包括：当IGBT模块中单只IGBT器件50％键合线断裂时，进行报警提示。

本发明还提供了一种IGBT模块的键合线断裂状态监测装置，所述状态监测装置与半桥电路中的IGBT模块相连，包括：

集电极电压测量单元，采集IGBT模块中下桥IGBT器件的集电极电压；

集电极电压过零检测单元，与所述集电极电压测量单元连接，用于判断所述集电极电压是否到零；

数据处理单元，与是集电极电压过零检测单元连接，用于当判断所述集电极电压到零时将所述当前集电极电压负向过冲和基准值进行比较，确定所述IGBT模块的运行状态；

健康状态预警单元，与所述数据处理单元连接，用于当确定IGBT模块中单只IGBT器件50％键合线断裂时，进行报警。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提出的IGBT模块的键合线断裂状态监测方法，利用半桥结构动作器件关断过程的集电极电压负向过冲监测IGBT芯片失效，该方法受电容电压变化影响小，且在不同的负载电流下依然可以保持较高的变化率，能够对IGBT模块发射极键合线部分断裂进行有效监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例IGBT模块的键合线断裂状态监测方法的流程图；

图2为了IGBT模块的内部结构及其等效电路；

图3为上桥IGBT器件处于正常开通关断状态，下桥IGBT器件始终处于关断状态的电路图；

图4为上桥IGBT器件关断过程中电压电流波形示意图；

图5为t₀-t₂关断过程的等效电路；

图6为t₂-t₄关断过程的等效电路；

图7为电容电压V_dc为500V、负载电流I_L为200A的集电极电压实验波形及其局部放大图；

图8为IGBT模块的键合线断裂状态监测装置的结构框图；

图9为IGBT模块的键合线断裂状态监测装置的操作过程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种IGBT模块的键合线断裂状态监测方法，包括以下步骤：

步骤101：采集IGBT模块中下桥IGBT器件的集电极电压。

步骤102：当判断所述集电极电压到零时，对当前集电极电压负向过冲进行采样。

步骤103：建立所述IGBT模块健康状态时集电极电压负向过冲的基准值。具体的：确定健康状态时关断过程中下桥IGBT器件的集电极负向电压幅值；根据所述集电极负向电压幅值确定集电极电压负向过冲的基准值。

步骤104：将所述当前集电极电压负向过冲和所述基准值进行比较。

步骤105：根据比较结果确定所述IGBT模块的运行状态。

其中，步骤步骤103具体包括：

搭建IGBT模块的半桥双脉冲测试电路；使用健康状态和剪断50％键合线时的IGBT模块，开展电容电压V_dc为500V、负载电流I_L为200A的IGBT模块关断实验，记录关断过程的集电极负向电压过冲Δv_CEB，根据实验结果建立的基准值。

以FF600R17ME4焊接型IGBT模块作为实例进行分析，图2为FF600R17ME4焊接型IGBT模块的内部结构及其等效电路。该模块包含两个IGBT器件，串联构成半桥结构，单个IGBT器件Q_Ti、Q_Bi(i＝1、2、3)由IGBT芯片、二极管芯片并联构成三只支路，典型特征是IGBT芯片发射极、二极管阳极由键合线连接后再与铜基板相连。其中，G_T、G_B为IGBT芯片发射极；LS_Ti、LS_Bi(i＝1、2、3)为IGBT芯片发射极、二极管芯片阳极与铜基板连接键合线的杂散电感；L_CT、L_ET、L_CB、L_EB为IGBT模块端子连接处的杂散电感。

搭建IGBT模块的双脉冲测试电路，如图3所示，上桥IGBT器件处于正常开通关断状态，下桥IGBT器件始终处于关断状态，负载电感并联在下管IGBT器件两端，监测装置并联于下管IGBT器件两端。图3中C_dc为电容器，V_dc为电容电压，i_C为集电极电流，Q_T为上桥器件，R_GT(off)为上桥驱动电阻，R_GT(on)为上桥驱动电阻，D_T为上桥二级管，v_GET为上桥发射极电压，v_CET为上桥集电极电压；Q_B为下桥器件，R_GB(off)为下桥驱动电阻，R_GB(on)为下桥驱动电阻，D_B为下桥二级管，v_GEB为下桥发射极电压，v_CEB为下桥集电极电压为，L_load为负载电感。

图4所示为上桥IGBT器件关断过程中电压电流波形示意图，v_GET为门极电压，I_L为负载电流，i_C为集电极电流，v_CET为上桥集电极电压，v_CEB为下桥集电极电压，Δv_CEB为集电极电压负向过冲。

上管IGBT器件关断过程如t₀-t₅阶段所示，t₁-t₄过程下桥IGBT器件集电极电压v_CEB变化。实线所示v_CEB为IGBT模块集电极电压波形，Δv_CEB为集电极电压负向过冲，本发明通过测量关断过程中的集电极电压负向过冲Δv_CEB实现对IGBT模块键合线断裂的监测。

(1)首先通过理论分析阐述Δv_CEB对IGBT模块键合线断裂监测的有效性：

在图4的t₀-t₂关断过程，该阶段的等效电路如图5所示，图5中，V_dc为电容电压，Q_Ti、Q_Bi(i＝1、2、3)为上、下桥器件，v_CET为上桥集电极电压，v_CEB为下桥集电极电压。L_STi、L_SBi(i＝1、2、3)为IGBT芯片发射极、二极管芯片阳极与铜基板连接键合线的杂散电感；L_CT、L_ET、L_CB、L_EB为IGBT模块端子连接处的杂散电感。t₀时刻驱动电压变为负电压，关断开始，上桥IGBT的输入电容经驱动电阻RGT放电，门极电压v_GET逐渐降低，直到t₁时刻门极电压下降至米勒平台，并被钳位；上桥IGBT进入有源区，门极电流为上桥IGBT的米勒电容C_GCT充电，集电极电压v_CET开始上升。该过程下桥IGBT始终处于关断状态，下桥续流二极管反向截止，负载电流I_L仅流过负载电抗如图3所示，功率回路集电极电流i_C变换率较小，可认为在此阶段集电极电流i_C不变化，回路杂散电感没有感应电压，此时下桥IGBT集电极电压v_CEB满足：

下桥IGBT集电极电压v_CEB与v_CET以相同变化率同步降低。

t₂-t₄关断过程电流流向如图6所示，图6中，V_dc为电容电压，i_C为集电极电流，i_D为二极管电流，Q_Ti、Q_Bi(i＝1、2、3)为上、下桥器件，v_CET为上桥集电极电压，v_CEB为下桥集电极电压。L_STi、L_SBi(i＝1、2、3)为IGBT芯片发射极、二极管芯片阳极与铜基板连接键合线的杂散电感；L_CT、L_ET、L_CB、L_EB为IGBT模块端子连接处的杂散电感。t₂时刻下桥IGBT集电极电压v_CEB下降到零，下桥续流二极管正向导通，上桥IGBT集电极电流i_C向下桥续流二极管电流i_D转移，续流二极管电流i_D满足：

集电极电流i_C、续流二极管电流i_D变化将在功率回路的寄生电感上产生感应电压，使得上桥IGBT集电极电压v_CET电压超过电容电压，下桥IGBT集电极电压v_CEB下降到零以下；假设并联三只芯片参数完全相同，芯片分流也相同，则此时Δv_CEB满足：

式中：L_SB为单只IGBT芯片发射极键合线杂散电感。有L_SB＝L_SB1＝L_SB2＝L_SB3，V_F为单只续流二极管正向导通压降，有V_F＝V_F1＝V_F2＝V_F3，IGBT芯片发射极键合线断裂，将使L_SB增加，在相同电流变换率di_D/dt情况下，造成Δv_CEB增加。可见，关断过程中的集电极电压负向过冲Δv_CEB能够有效反应IGBT模块键合线的断裂。

(2)建立IGBT模块健康状态时Δv_CEB的基准值：

如图3所示，负载电感L_load并联在下桥IGBT器件两端，上桥器件Q_T处于正常开通关断状态；下桥器件Q_B始终处于关断状态，在上桥器件Q_T关断时，二极管D_B提供负载电流的续流路径。表1为实验平台及测量设备的相关参数及型号。上、下桥IGBT器件由单独的驱动板卡控制，由隔离电源为驱动板卡供电；为了防止下桥IGBT器件由于串扰现象产生误导通，下桥采用-7V驱动电压使器件关断，上下桥IGBT集电极电压利用同型号差分探头THDP0100测量。

表1实验平台相关参数

IGBT芯片键合线断裂通过剪断图2所示发射极键合线模拟，将完好模块定义为“n＝0”,剪断50％键合线定义为“n＝6”，如图7(a)所示为电容电压V_dc为500V、负载电流I_L为200A的集电极电压实验波形，如图7(b)为局部放大图，结果表明单只IGBT芯片50％键合线断裂下桥IGBT集电极电压v_CEB峰值由65.6V增加到88.4V，Δv_CEB为22.8V，得到步骤二中IGBT模块健康状态时Δv_CEB的基准值，为：

Δv_{CEB_baseline}＝0.3v_CEBm

式中v_CEBm为健康状态时关断过程中集电极负向电压幅值。

其中，步骤105具体包括：

根据步骤102中测量得到的集电极电压负向过冲Δv_CEB，与步骤103建立的健康状态时Δv_CEB的基准值相比较，即可获得IGBT模块的健康状态，判据为：

若Δv_CEB<Δv_{CEB_baseline}，则IGBT模块处于健康状态；

若Δv_CEB>Δv_{CEB_baseline}，则IGBT模块中单只IGBT芯片50％键合线断裂；并发出报警信号，提示键合线断裂情况超出阈值。

如图8所示，本发明还提供了一种IGBT模块的键合线断裂状态监测装置，所述状态监测装置与半桥电路中的IGBT模块相连，包括：

集电极电压测量单元，采集IGBT模块中下桥IGBT器件的集电极电压；

集电极电压过零检测单元，与所述集电极电压测量单元连接，用于判断所述集电极电压是否到零；

数据处理单元，与是集电极电压过零检测单元连接，用于当判断所述集电极电压到零时将所述当前集电极电压负向过冲和基准值进行比较，确定所述IGBT模块的运行状态；

健康状态预警单元，与所述数据处理单元连接，用于当确定IGBT模块中单只IGBT器件50％键合线断裂时，进行报警。

如图9所示，IGBT模块的键合线断裂状态监测装置的操作过程如下：

Step1：初始化监测装置，相关监测量归零，启动数据处理单元，；

Step2：启动集电极电压测量单元，监测IGBT器件是否处于负压关断状态，若为负压关断状态进行Step3，否则返回Step2；

Step3：启动集电极电压测量单元，等待采样；

Step4：启动集电极电压过零监测单元，判断集电极电压是否到零，若到零，进行Step5；否则，返回Step3；

Step5：启动集电极电压测量单元，对当前集电极电压负向过冲Δv_CEB进行采样，与基准值进行比较，并判断Δv_CEB是否超过基准值，若超过，进行Step6；否则，返回Step3；

Step6：启动健康状态预警单元，监测系统发出报警信号，提示键合线断裂情况超出阈值。

Step7：监测系统复位。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种IGBT模块的键合线断裂状态监测方法，其特征在于，包括：

采集IGBT模块中下桥IGBT器件的集电极电压；

当判断所述集电极电压到零时，对当前集电极电压负向过冲进行采样；

建立所述IGBT模块健康状态时集电极电压负向过冲的基准值；

将所述当前集电极电压负向过冲和所述基准值进行比较；

根据比较结果确定所述IGBT模块的运行状态。

2.根据权利要求1所述的IGBT模块的键合线断裂状态监测方法，其特征在于，建立IGBT模块健康状态时集电极电压负向过冲的基准值，具体包括：

确定健康状态时关断过程中下桥IGBT器件的集电极负向电压幅值；

根据所述集电极负向电压幅值确定集电极电压负向过冲的基准值。

3.根据权利要求1所述的IGBT模块的键合线断裂状态监测方法，其特征在于，所述集电极电压负向过冲的基准值的计算公式如下：

Δv_{CEB_baseline}＝0.3v_CEBm

其中，Δv_{CEB_baseline}为集电极电压负向过冲的基准值，v_CEBm为健康状态时关断过程中集电极负向电压幅值。

4.根据权利要求1所述的IGBT模块的键合线断裂状态监测方法，其特征在于，所述根据比较结果确定所述IGBT模块的运行状态，具体包括：

若比较结果为当前集电极电压负向过冲小于所述基准值，则IGBT模块处于健康状态；

若比较结果为当前集电极电压负向过冲大于所述基准值，则IGBT模块中单只IGBT器件50％键合线断裂。

5.根据权利要求4所述的IGBT模块的键合线断裂状态监测方法，其特征在于，还包括：当IGBT模块中单只IGBT器件50％键合线断裂时，进行报警提示。

6.一种IGBT模块的键合线断裂状态监测装置，其特征在于，所述状态监测装置与半桥电路中的IGBT模块相连，包括：

集电极电压测量单元，采集IGBT模块中下桥IGBT器件的集电极电压；

集电极电压过零检测单元，与所述集电极电压测量单元连接，用于判断所述集电极电压是否到零；

数据处理单元，与是集电极电压过零检测单元连接，用于当判断所述集电极电压到零时将所述当前集电极电压负向过冲和基准值进行比较，确定所述IGBT模块的运行状态；

健康状态预警单元，与所述数据处理单元连接，用于当确定IGBT模块中单只IGBT器件50％键合线断裂时，进行报警。

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