[发明专利]基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子器件与装置可靠性技术领域，具体涉及一种基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电力电子装置的核心部件，其可靠性已成为决定整个装置安全运行的最重要因素。国外有研究机构对80个公司的200多件产品调查后发现，接近40％的电力电子装置故障是由器件失效引起。随着IGBT器件在航空航天、电磁发射、海上运输、轨道交通、新能源发电等军事经济领域的广泛应用，其功率等级越来越高，工作环境更加恶劣，使用条件日益苛刻，对可靠性提出了越来越严苛的要求。

引发IGBT器件失效的外部因素很多，如电源或负载波动、驱动或控制电路故障、散热装置故障、线路短路等，属于过失或随机失效，通过提高外部装置和辅助电路可靠性，可有效避免此类失效发生。然而，由于模块开关运行过程中，长期受到电热应力作用，随着作用效果的不断累积，器件产生疲劳老化，导致材料及器件性能指标下降而引发的失效，属于疲劳失效，此类失效是不可阻止、不可避免的。

IGBT器件疲劳失效，是指随着器件运行时间的累积，芯片和封装材料逐渐产生疲劳，可靠性逐渐下降，最终导致器件疲劳失效，IGBT器件疲劳失效模式包括芯片疲劳失效和封装疲劳失效。芯片疲劳失效是指在电热应力作用下IGBT芯片硅材料、栅极和发射极界面产生疲劳，芯片电气性能发生变异，随着芯片疲劳程度的加剧，集电极漏电流偏离其正常水平的幅度增大，直至器件失效。

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等半导体器件均可以看成是由多种部件或多种材料组成的串联或串并联系统。在这一系统中，有许多固相交界面，在电、热、物理和化学应力作用下，产生界面效应，引发界面疲劳失效。半导体器件界面主要包括金属—半导体界面(Al-Si)，半导体—绝缘体界面(Si-SiO2)，金属—绝缘体界面(Al-SiO2)，硅化物界面，以及绝缘体—绝缘体界面。IGBT栅极界面包括Al-SiO2界面和Si-SiO2界面，发射极界面为Al-Si界面。

IGBT器件在温度(T)、交变温度(△T)、电压(V)、电流(I)、湿度(H)等外界应力作用下，芯片栅极和发射极界面两相间发生固—固扩散、离子电荷迁移、热电子注入，甚至出现裂纹等，导致界面的电、热、机械特性发生缓慢变异，从而引起器件参数退化，直至器件最终失效。

Al-Si界面可以是欧姆接触，也可以是肖特基势垒接触。在Al的沉积与合金过程中，以及器件经受强电流冲击时(这种强电流可来自各种电磁干扰、静电放电、超功率老化和寿命实验等)，Al-Si界面发生了Si向Al中的固态溶解，Si在Al晶界中的电迁移，Al在Si中的热电迁移等物理过程，导致Si接触窗口出现渗透坑，轻则造成势垒高度增大；重则导致漏电流增大，PN结短路。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法，通过初始状态标定与实时监测，即可对处于不同寿命阶段的IGBT器件健康状态与可靠性进行有效评估。

本发明提供了一种基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法，包括以下步骤：

(1)安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试经检测合格的IGBT器件的集电极漏电流，标记为初始值I_leak(st)；

(2)IGBT器件投入使用后，定期测试IGBT器件的集电极漏电流并记录测试值I_leak；

(3)将测试值I_leak与初始值I_leak(st)进行比较，根据比较结果判断IGBT器件的集电极漏电流是否达到失效标准；

(4)当集电极漏电流未达到IGBT器件失效标准时，将步骤(2)中获得的测试值带入集电极漏电流健康状态监测方法仿真模型中，该模型参数通过IGBT使用手册和参数提取方法获取，进而计算出IGBT器件的疲劳老化进程与剩余寿命，实现IGBT健康状态监测；

(5)当集电极漏电流达到IGBT器件失效标准时，判定为器件失效并对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤。

所述步骤(4)中集电极漏电流I_leak健康状态监测方法仿真模型如下式：