IGBT的可靠性模型研究.pdf

1、開發(fā)和利用清潔的風能是我國解決能源和環(huán)保問題的重要戰(zhàn)略舉措之一，但這一進程的落實和規(guī)模發(fā)展受到風電中變流裝置可靠性低的制約。由于風電固有的功率波動，導致功率器件持續(xù)經(jīng)受熱沖擊，加劇了器件的老化失效進程，成為風電并網(wǎng)變流裝置可靠性問題的關鍵性因素之一，因此，功率器件的可靠性評估是并網(wǎng)裝置可靠性評估的基礎。目前對功率器件在熱沖擊下的性能劣化和可靠性衰退的機理研究較少，對失效進程的認識和把握不足，缺少能表征器件失效進程的特征量；對功率器件及并

2、網(wǎng)變流裝置的離線概率可靠性評估也因器件基礎可靠性指標(如平均壽命、老化失效率、不可用率)的缺失，其深入開展受到限制。因此，圍繞功率器件(以風電并網(wǎng)變流裝置中常用的IGBT為對象)的可靠性在線檢測、可靠性概率的離線評估，論文的主要工作及結(jié)果如下：
　　 ① 推導總結(jié)了禁帶寬度、本征載流子濃度、載流子壽命、載流子遷移率及雙核擴散系數(shù)等物理參數(shù)的溫度特性，建立了IGBT器件物理參數(shù)與電氣參數(shù)間的對應關系，在此基礎上，詳細分析了IGBT

3、開關速度減慢、通態(tài)壓降、漏電流惡化，閾值電壓突變、以及發(fā)生擎住效應等電氣現(xiàn)象的物理機理，為分析其老化機理及動態(tài)模型奠定了基礎。
　　 ② 結(jié)合解析模型和子電路模型的優(yōu)點，改進了IGBT的PSPICE動態(tài)電氣模型，在模型中用二極管的結(jié)電容表征IGBT內(nèi)部的壓控寄生電容，用IGBT數(shù)據(jù)手冊與測量電路相結(jié)合的方式提取了模型參數(shù)，仿真與實驗結(jié)果的對比驗證了模型的正確性。用建立的模型分析器件外特性對IGBT模型參數(shù)變化的敏感程度，明確了器

4、件經(jīng)受熱沖擊過程中能顯著影響器件動態(tài)波形的主導參數(shù)；
　　 ③ 深入分析平穩(wěn)工況下IGBT的動態(tài)特性，采用未塑封的2MBI150U4H-170型IGBT，實驗模擬了器件在非平穩(wěn)工況下鍵合線剝落后器件動態(tài)波形的變化；分析了兩種工況下器件動態(tài)特性差異的可能原因，在此基礎上，提出將柵極電壓米勒平臺的退化程度作為器件的可靠性狀態(tài)的一個劃分依據(jù)，并以此為基礎建立了IGBT器件的可靠性模型；
　　 ④ 從器件可靠性的基礎參數(shù)——壽命

5、著手，建立了IGBT的老化失效風險的概率評估模型，用來計算老化失效數(shù)據(jù)有限的情況下IGBT的平均壽命、老化失效概率和因老化引起的不可用率，改進設計階段器件可靠性的評價手段。該模型由IGBT老化失效概率的正態(tài)分布特性推導而來，正態(tài)分布的參數(shù)采用最小二乘法估計。與傳統(tǒng)的樣本均值方法相比，設計的參數(shù)估計方法不僅考慮了已退役的器件，還考慮了仍在服役的器件對平均壽命估計的影響，從理論上提高了參數(shù)估計結(jié)果的合理性。
　　 論文在IGBT器件