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為了實現電能的高效轉換和靈活控制，電力電子變換和控制技術越來越廣泛地應用于新能源發電并網、柔性交直流輸電、電動汽車及充電裝置、軌道交通電力牽引等領域，而電力電子變換裝置也成為應用系統的關鍵裝置，在很大程度上決定著應用系統的效率、能耗、成本和可靠性。

根據工業數據統計，光伏發電系統37%的計劃外維護和59%的故障相關成本是由光伏逆變器故障造成的，而風機系統和交流變頻驅動系統的故障也主要由功率變換器故障導致。電力電子變換裝置通常由功率半導體器件、驅動電路、儲能元件和控制電路等部分組成，其故障主要由功率半導體器件失效引起，約占34%。因此，為降低電力電子變換裝置故障率，提高系統的運行可靠性，滿足更嚴格的安全和成本約束，發展功率半導體器件狀態監測技術的需求在學術界和工業界變得越發迫切。

隨著高壓、大電流應用領域對電力電子變換裝置需求的增加，以IGBT為主的功率半導體器件向大容量、標準模塊化方向發展，通過多芯片并聯模塊的形式滿足功率密度需求。多芯片并聯模塊在功率循環中存在不均勻的溫度分布，溫度最高的芯片和溫度最低的芯片間存在最大5~15℃的差異，因此各芯片焊料層或鍵合線老化失效速度并不一致，即存在不均勻老化。

在多芯片并聯模塊中，每個芯片的健康狀態和可靠性共同決定模塊整體的健康狀態和可靠性。傳統老化狀態參量大多適用于分立器件或單芯片開關功率模塊的狀態監測，但無法對多個硅芯片并聯組成一個開關的大功率IGBT模塊的健康狀態進行準確監測和評估。

現有研究分別基于柵極信號、閾值電壓和跨導對多于10個IGBT芯片并聯的模塊中鍵合線脫落引起的失效芯片數量進行監測評估，但對于并聯IGBT芯片數量少于10個的模塊，一個芯片失效即模塊整體失效，由于并聯芯片連接于同一終端，基于模塊端部電氣特性參數的狀態監測方法不能在模塊失效前對模塊內部不均勻老化進行量化評估。

此外，受不平衡的溫度分布、電流分布等影響，基于平均結溫或平均殼溫的方法對模塊整體老化狀態的評估會偏離實際狀態。隨著日益增長的大容量電力電子裝置需求和不斷提高的應用可靠性要求，甄選能夠表征多芯片并聯IGBT模塊不均勻老化狀態且更加便于監測的老化特征參量變得越來越重要。

重慶大學的研究人員通過對比分析電-熱-磁等參數與老化狀態的映射關系和響應靈敏度，提出一種可用于多芯片并聯IGBT模塊不均勻老化狀態監測新的老化特征參量，為準確的多芯片IGBT模塊準在線、在線狀態評估提供支撐。

圖1 穩態導通實驗平臺及測試原理

他們首先基于多芯片并聯焊接式封裝IGBT模塊穩態等效電路模型，定性分析焊料層疲勞和鍵合線脫落兩種主要老化失效過程中模塊電、熱、磁特性的退化。其次，建立多芯片并聯IGBT模塊的三維電-熱-磁有限元模型，通過模型仿真得到模塊芯片焊料層老化和鍵合線脫落中電、熱、磁特征參量的變化規律。

研究人員在模塊老化規律研究中，通過仿真發現，不同于單芯片模塊，多芯片并聯模塊單個芯片焊料層老化時，老化芯片的結溫增幅較小并且功率損耗不斷減少。在芯片焊料層脫落時，他們對比分析結溫、殼溫、導通電流、功率損耗和磁感應強度的相對靈敏度，發現磁感應強度對芯片焊料層老化的靈敏度最高，同時測量結果不受環境溫度的影響，并且在測量時可以避免與模塊的直接接觸，對模塊的正常運行影響較小，因此利用磁感應強度變化監測多芯片模塊內部芯片焊料層老化具有較高的可行性和實用性。

研究人員指出，針對芯片鍵合線脫落，不論老化芯片的結溫、殼溫、電流、功率損耗還是模塊導通電壓在前期少量鍵合線脫落時均沒有明顯變化，但老化芯片剩余鍵合線產生的磁感應強度卻明顯增大。此外，在芯片上70%的鍵合線脫落的失效標準下，磁感應強度變化具有33.9%的相對靈敏度，遠高于其他老化特征參量的相對靈敏度，更適合作為多芯片并聯IGBT模塊老化狀態監測的特征參量。

本文編自2022年第13期《電工技術學報》，論文標題為“多芯片并聯IGBT模塊老化特征參量甄選研究”。本課題得到國家重點研發計劃、中央高校基本科研業務費和國家自然科學基金的支持。