【導(dǎo)讀】本文介紹了高壓IGBT模塊在濕度影響下的壽命預(yù)估模型。此模型涉及的濕度加速因子是從溫濕偏置試驗中提取的;高壓IGBT的溫濕偏置試驗在不同的濕度和不同的電壓下進行測試,目的是為了找出濕度和電壓對高壓IGBT壽命的影響。最終,我們把濕度和電壓對高壓IGBT壽命的影響以及溫度因數(shù)都集成到壽命預(yù)估模型中。通過試驗,我們同時發(fā)現(xiàn)濕度對高壓IGBT模塊的壽命有很大影響。
1、引 言
在一些電力電子應(yīng)用場合,不僅需要高壓IGBT模塊有優(yōu)異的性能,還需要具有相當(dāng)高的可靠性;為了滿足實際需求,希望高壓IGBT模塊的壽命能達到30年,所以,高壓IGBT模塊的壽命預(yù)估非常重要。以前,盡管我們都知道濕度會對高壓IGBT模塊的壽命產(chǎn)生很大影響,但是沒有一個準(zhǔn)確的壽命預(yù)估模型把濕度因素考慮進來。三菱電機持續(xù)研究濕度對高壓IGBT模塊可靠性的影響,從而得到新的高壓IGBT模塊的壽命預(yù)估模型,通過這個模型來預(yù)估高壓IGBT的壽命。同時,三菱電機通過采用SCC(Surface Charge Control)技術(shù)開發(fā)了新一代高壓IGBT模塊,具有抵御高濕度的能力。
2、高濕引起高壓IGBT模塊
失效機理
三菱電機對濕度引起的失效模式進行了研究。高濕引起高壓IGBT模塊的失效機理詳見PCIM 2015論文[2]。
一般來說,擊穿電壓會隨著IGBT芯片邊緣電荷量QSS的增加而降低。圖1為6.5kV 高壓IGBT芯片的擊穿電壓隨著QSS變化的曲線圖。高濕度工況下的失效機理如下所述。
當(dāng)給集電極和發(fā)射極之間施加電壓,高壓IGBT內(nèi)部的凝膠會被電極化,芯片的邊緣會累積電荷QSS,同時,凝膠中的濕氣會加速電荷的集聚,此時,其擊穿電壓在高濕環(huán)境下會下降。所以濕度和電壓會加速IGBT模塊的退化,同時溫度也會加速IGBT模塊的退化。
三菱電機通過采用新的IGBT芯片邊緣技術(shù)SCC(Surface Charge Control)提高了高壓IGBT模塊在抵御高濕度方面的魯棒性。
為了抑制IGBT芯片邊緣電荷集聚,SCC技術(shù)采用了優(yōu)化的半絕緣性材料替代傳統(tǒng)的絕緣材料,這個半絕緣性層為集聚的載流子提供了通路,如圖3所示,在高濕工況下,產(chǎn)生的載流子會通過半絕緣層傳遞出去,避免了電荷的大量集聚。
3、濕度影響下的壽命預(yù)估模型
C. Zorn介紹了考慮濕度、溫度和電壓的加速模型[1]。
公式中,αf為測試的加速因子,也就是加速(后綴為a)測試條件下MTTF(Mean Time To Failures,平均無故障時間)與參考(后綴為u)測試條件下MTTF之比。EA是活化能,在0.79eV和0.95eV之間,k為玻爾茲曼常數(shù)。指數(shù)x為相對濕度的影響,指數(shù)y為電壓的影響,都是經(jīng)驗數(shù)據(jù),但是必須通過實際評估來確認(rèn)。我們把此加速模型擴展到壽命預(yù)估模型中。
濕度的壽命模型為:
濕度加速因子:
溫度加速因子:
電壓加速因子:
其中:LTb:在參考條件下的基本壽命;
RH[%]: 用于壽命計算的外界環(huán)境相對濕度;
T[℃]:用于壽命計算的外界環(huán)境溫度;
V[V]:用于壽命計算的電壓;
參考條件下的相對濕度為:RHu=75%。
參考條件下的環(huán)境溫度為:Tu=25℃。
參考條件下的電壓為:Vu=1500V。
相對濕度的經(jīng)驗影響因子為x。
電壓的經(jīng)驗影響因子為y。
活化能EA=0.79eV。
玻爾茲曼常數(shù)k=8.62×10-5eV/K。
LT是考慮濕度、溫度和電壓的預(yù)估壽命,公式中的參數(shù),LTb是參考條件下的基本壽命,與每個高壓IGBT模塊的結(jié)構(gòu)相關(guān),濕度加速因子πH,溫度加速因子πT,電壓加速因子πV,其它的參數(shù)來自加速模型。在此壽命估算模型中,活化能EA定義為最小值0.79eV。同時,參考條件,RHu=75%和Tu=25℃是東京8月份的平均環(huán)境條件。除此之外,Vu=1500V為直流網(wǎng)壓。
4、加速因子的估算
4.1 溫濕反偏試驗測試結(jié)果
3.3kV高壓IGBT的溫濕反偏試驗是在以下三個條件下測試:測試條件A(Ta=85℃,相對濕度=85%, VCE=2800V),測試條件B(Ta=85℃,相對濕度=95%, VCE=2800V),測試條件C(Ta=85℃,相對濕度=95%, VCE=2000V),測試結(jié)果如圖4,圖5和圖6所示。
根據(jù)失效機理,濕度引起的失效應(yīng)該在芯片的邊緣區(qū)域。試驗過程中發(fā)生的失效點,同樣在芯片的邊緣,如圖7所示。
4.2 濕度加速因子
如圖4所示,在測試條件A的平均壽命為3023個小時。同樣,如圖5所示,在測試條件B的平均壽命為309個小時。所以,從相對濕度85%到相對濕度95%,加速因子αf_A-B通過計算為3023/309=9.78。相對濕度的經(jīng)驗影響因子x通過下式計算:
這里RHa_testB=95%, RHa_testA=85%, 所以上式的計算結(jié)果x=20.5。
4.3 電壓加速因子
如圖5所示,在測試條件B的平均壽命為309個小時。同樣,如圖6所示,在測試條件C的平均壽命為490個小時。所以,從電壓2000V到電壓2800V,加速因子αf_C-B通過計算為490/309=1.59。電壓的經(jīng)驗影響因子y通過下式計算:
這里Va_testB=2800V, Va_testC=2000V,, 所以上式的計算結(jié)果y=1.37。
5. 3.3kV IGBT壽命預(yù)估
5.1 基本壽命時間
這里,參考條件定義為RHu=75%,Tu=25℃和Vu=1500V。通過公式(1),可以得到測試條件A中的加速因子αf_A為5.31k,測試條件B中的加速因子αf_B為52.0k,測試條件C中的加速因子αf_B為32.8k。綜合這些加速因子,溫濕反偏試驗測試A、測試B和測試C轉(zhuǎn)換為如表1、表2和表3所示的參考條件。
以上失效點集成為圖8所示的威布爾曲線圖,從圖中可以得到,在參考條件下F(t)=10%的壽命為1210年。同時,在此威布爾分析中,排除了最大點和最小點。所以,在參考條件下,3.3kV IGBT的壽命LTb=1210年。
5.2 壽命預(yù)估模型
所有參數(shù)通過溫濕反偏試驗A、試驗B和試驗C得到確認(rèn)。所以新的壽命預(yù)估模型如下:
濕度加速因子:
溫度加速因子:
電壓加速因子:
LTb=1210年,Tu=25℃,Vu=1500V,x=20.5,y=1.37,EA=0.79eV,k=8.62×10-5 eV/K
新的壽命預(yù)估模型僅考慮了濕度引起的失效,但是在實際運行時必須考慮除了濕度以外其它因素引起的失效。
5.3 壽命預(yù)估結(jié)果
通過以上壽命預(yù)估模型,可以預(yù)估3.3kV IGBT在不同工況下的壽命。圖9展示了壽命預(yù)估結(jié)果,包含了在直流1500V下1年、30年和1000年的溫度濕度矯正曲線。通過這些曲線,我們可以看到3.3kV IGBT有足夠強的抵御濕度能力。
從上圖可以看出,相對濕度增加11%或者溫度增加40℃,都會造成壽命從1000年減為30年,所以,相對來說,相對濕度的影響比溫度影響更大。一般來說,當(dāng)變流器內(nèi)部升溫時,絕對濕度會保持不變。如果環(huán)境條件從溫度38.9℃、相對濕度83.0%變?yōu)闇囟?2.6℃、相對濕度68.8%,但是絕對濕度值保持40g/m3,壽命會從30年增加到1000年。所以,預(yù)加熱是一種非常有效的抑制濕度失效的方法。
當(dāng)然,1000年的計算值僅僅是考慮濕度情況下的壽命,如果考慮上其它因素,比如溫度循環(huán)壽命等,IGBT模塊實際壽命在實際中并沒有這么長。
同時,以上壽命預(yù)估模型是基于溫濕反偏試驗,所以沒有考慮溫度快速變化的情況。特別當(dāng)快速冷卻會造成凝露,比高濕工況更加嚴(yán)酷。在實際工況中,這種溫度快速變化的工況也應(yīng)該考慮。為了防止凝露,同樣的,預(yù)加熱是一種有效的手段。
6. 結(jié) 論
本文介紹了考慮濕度影響的壽命預(yù)估模型。通過這個模型,得到了1500V情況下的1年、30年和1000年的溫度濕度矯正曲線,并且確認(rèn)了3.3kV IGBT模塊具有足夠的抑制濕度失效的能力。
同時,本文確定了高濕會對高壓IGBT模塊的壽命產(chǎn)生很大的影響,所以如果變流器在高濕工況下時,必須考慮濕度帶來的影響。預(yù)加熱是一種非常有效的抑制濕度失效的方法。
7. 參考文獻
[1]Christian Zorn, Nando Kaminski, “Acceleration of Temperature Humidity Bias(THB) Testing on IGBT Modules by High Bias Levels,” 2015 IEEE
[2]N. Tanaka, et al., “Robust HVIGBT Modules Design against High Humidity,” PCIM Europe2015
[3]Shigeto Honda, Tatsuo Harada, Akito Nishii, Ze Chen, Kazuhiro Shimizu, “HighVoltage Device Edge Termination for Wide Temperature Range plus Humidity withSurface Charge Control (SCC) Technology,” ISPSD 2016.
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