绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块在风力发电、柔性交流输电、电机牵引及航空等高压大功率变流器系统中被广泛应用。作为电力电子系统中最易发生故障的器件之一，IGBT故障可分为突发性失效和老化失效，若IGBT老化失效不能被提前发现，就会导致系统发生故障，使整个系统陷入瘫痪状态，造成不可预估的损失。
IGBT由芯片层、焊锡层、DBC（directed bonding copper）层与铜基板组成。IGBT模块主要的失效位置包含键合线根部、芯片金属化层及材料之间的焊接层。IGBT模块封装结构如图1所示。
IGBT的失效主要与以下几个因素有关：
1）过热。当IGBT的结温超过其最大允许温度时，会导致器件性能退化，甚至烧毁。过热通常由电流过大、散热不良或驱动电路问题引起。
图1 IGBT模块封装结构
2）过电流。流经IGBT的电流超过其额定电流时，会产生大量的热量，导致器件温度升高，可能引发失效。过电流通常由负载短路、驱动电路故障或电路设计不当等原因引起。
3）过电压。当IGBT承受的电压超过其额定电压时，会导致器件击穿和损坏。过电压可能由开关操作过程中的瞬态过电压、雷击等引起。
4）瞬态过电流。在运行过程中，IGBT可能承受瞬态过电流，如续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流等。虽然这些瞬态过电流持续时间较短，但如果不采取措施，会增加IGBT的负担，导致器件失效。
5）驱动电路。驱动电路的工作频率、输出电压的上升/下降沿速率与IGBT开关速率不匹配，或辅助电源平均输出功率、峰值功率不足等，都可能导致IGBT无法正常工作，出现失效。
6）制造工艺、材料及使用环境。如果在制造过程中存在工艺控制问题或使用了不合格的材料，可能导致IGBT的早期失效。温度、湿度、机械应力等环境因素也可能影响IGBT的性能和使用寿命，从而引发失效。
1 物理失效分析物理失效是指IGBT正常工作时受内部热应力影响导致材料发生变形，最终导致其无法正常使用。物理失效主要有键合线老化、金属化层重构及焊接层退化。
1）键合线老化
键合线老化主要有键合线脱落和键合线断裂两种情况，如图2所示。在正常工作时，IGBT受温度变换产生的热应力的影响，键合线会发生剥离现象而引发故障，从而导致IGBT模块老化失效。
图2 IGBT键合线老化
2）金属化层重构
随着IGBT功率循环次数的增加，芯片表面铝金属层出现退化、晶粒增大、铝层挤压的现象，金属化层重构会造成层电阻增加，从而导致饱和压降参数上升，造成局部热点或烧熔。IGBT金属化层重构情况如图3所示。
图3 IGBT金属化层重构情况
3）焊接层退化
IGBT模块内部，DBC与芯片、DBC与基板之间的连接目前大多通过焊接完成，长期的热循环应力会导致焊接层脆化、开裂。IGBT焊接层破裂情况如图4所示。
图4 IGBT焊接层破裂情况
2 电气失效分析IGBT的电气失效是指在IGBT工作过程中，受元件内部的电压和电流等作用，致使IGBT失效。电气失效的形式有电气过应力失效、静电荷放电失效和闩锁效应失效[12]。
1）电气过应力失效
IGBT电气过应力失效是指由于过电压、过电流等电气应力超过IGBT的承受能力而导致的失效。IGBT在关断过程中会产生集电极-发射极过电压尖峰，导致器件发生短路，无法正常运行。
2）静电荷放电失效
器件正常工作情况下会累积电荷，在电荷放电过程中可能击穿器件材料层，此时当IGBT的门极或输入端受到静电荷冲击时，可能会导致其内部的电路或元件损坏，从而引发失效。
3）闩锁效应失效
当集电极电流增大到一定程度时，寄生晶闸管受正向偏置电压影响导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，由此导致集电极电流上升，引起较大的功率损耗，加速失效现象发生。
3 IGBT失效延迟方法延迟IGBT失效的方法可以从多个方面入手，具体包括：
1）散热管理。过热是导致IGBT失效的主要因素之一，因此散热管理至关重要。可以采用更有效的散热方案，如优化散热器设计、增加散热面积、提高散热效率等，以降低IGBT的工作温度，避免过热损坏。
2）电流控制。合理控制IGBT的电流大小和变化率，避免超出IGBT的额定电流和电流变化率的范围。可以采用适当的驱动电路和驱动参数，以保证IGBT工作在安全范围内。
3）电压控制。避免IGBT承受超出其额定电压的过电压或浪涌电压，可以在IGBT两端并联适当的吸收电路或采用适当的保护措施，以吸收过电压或浪涌电压。
4）可靠性设计。在IGBT的可靠性设计方面，可以采用冗余设计、故障诊断和隔离等技术，提高IGBT的可靠性和稳定性。
5）制造工艺控制。加强制造过程中的质量控制和工艺控制，保证IGBT的质量和性能。可以采用适当的筛选和测试方法，剔除早期失效的IGBT器件。
6）使用环境控制。确保IGBT在使用环境中不会受到过大的温度、湿度、压力等环境因素的影响，避免环境因素对IGBT的性能和使用寿命产生不良影响。
本文摘编自2024年第3期《电气技术》，论文标题为“基于Bo-BiLSTM网络的IGBT老化失效预测方法”，作者为汪醒鹏、陈喜莆，本课题得到北京市教育委员会基金项目、北京市自然科学基金项目的支持。
