IGBT modülü bağlama teli arızası ile geçit kaçak empedansı arasındaki ilişki üzerine araştırma
Chen Hongna, Li Zhigang, Mei Shuang, Tian Sheng
(Elektrik Mühendisliği Okulu, Hebei Teknoloji Üniversitesi, Tianjin 300130)
Bağlama teli atma, IGBT yongalarının yaygın bir arıza şeklidir ve alüminyum bağlama teli arızası, kapı başıboş empedansını bir dereceye kadar etkileyecektir. Başıboş empedansın değişmesi, kapı elektrik sinyalinin değişmesine neden olacaktır Bu nedenle, başıboş empedansın değişmesi, geçit ölçüm sinyalinin değişmesi ile karakterize edilir ve daha sonra IGBT yongasının, düşen alüminyum bağlama telinin arızasına sahip olup olmadığı değerlendirilebilir. IGBT modülünün alüminyum bağlama teli arızasını tanımlamak için bir temel sağlayan kapı kaçak empedansı ile bağlama teli arızası arasındaki ilişki incelenmiştir.
IGBT; alüminyum bağlama teli; kaçak empedans
Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistörü (IGBT), yüksek frekanslı ve yüksek akım güç elektroniği dönüştürme sistemlerinde en yaygın kullanılan güç yarı iletken cihazı haline gelmiştir. Yurt dışı anketlere göre, güç yarı iletken cihazları,% 31'lik bir arıza oranıyla güç elektroniği dönüştürücülerinin en savunmasız kısımlarıdır. Güç cihazının çalışma sırasındaki hasarı temel olarak güç dalgalanmasının neden olduğu sıcaklık dalgalanmasının neden olduğu termomekanik gerilimden kaynaklanmaktadır, bu da cihazın ve paketin mekanik deformasyonuna ve yorulma hasarının birikmesine neden olarak IGBT cihazının arızalanmasına neden olur.Alüminyum bağlama telinin düşmesi en önemli arıza modlarından biridir. Bir. Bu nedenle, IGBT alüminyum bağlama telinin durumunu izlemek, operasyonel güvenilirliğini artırmak için önemli bir yöntem olan erken arızasını tespit etmektir.
Son yıllarda, yurtiçi ve yurtdışında alüminyum bağlama tellerinin arıza ve durum izlemesi üzerine çok sayıda araştırma yapılmıştır. Arıza analizi açısından, alüminyum bağ tel dökülmesinin modül performansı üzerindeki etkisini incelemek esas olarak simülasyon yoluyla yapılır. Durum izleme açısından, alüminyum bağlama telinin arızası ilk önce IGBT modülünün iç düzenini etkileyecek ve ardından doygunluk voltaj düşüşü, kapı sinyali, eşik voltajı, kapanma süresi vb. Gibi son özelliklerini etkileyecek, tümü durum izleme parametresi yansıtma cihazları olarak kullanılabilir. Yaşlanma durumu. Genel olarak, IGBT cihazlarının arıza mekanizması ve güvenilirlik değerlendirmesiyle ilgili araştırmalarda büyük ilerleme sağlanmıştır. Mevcut güvenilirlik değerlendirme yöntemlerinin kendi avantajları vardır, ancak aynı zamanda sınırlamaları da vardır. Kapsamlı bir karşılaştırma yoluyla, bu makale IGBT alüminyum bağlama telinin hatasını tanımlamak için karakteristik sinyal olarak kapı voltajının dinamik değişimini kullanır.
Bağ teli düşer ve IGBT yongası içindeki eşdeğer devrenin değişmesine neden olur ve bu değişiklik geçit elektrik sinyaline yansıyacaktır. Kaçak empedansın ölçülmesi zor olduğundan, arızanın başıboş empedans üzerindeki etkisi, geçit voltaj sinyalinin değişmesiyle dolaylı olarak yansıtılabilir. Bu makale, deneyler yoluyla VGE'yi ölçer ve alüminyum bağlama tellerinin arızalanması sırasında değişen yasasını analiz eder.Bu temelde, dalgacık ve enerji entropi teorisi, geçit voltaj sinyalini alt dalgacık paketi ile ayrıştırmak ve IGBT durum izleme için arıza karakteristik bilgilerini çıkarmak için kullanılır. Bir temel sağlayın.
1 IGBT modüllerinin arıza mekanizması ve yapısal özellikleri
1.1 Başarısızlık mekanizması
Güç cihazlarının arıza mekanizmasının incelenmesi, durum değerlendirmesinin temelidir. Şekil 1, IGBT modülünün katmanlı yapısını göstermektedir. Her malzeme katmanının termal genleşme katsayısı (CET) farklıdır, böylece modül termal şoka veya döngüsel ısıtma ve soğutmaya maruz kaldığında, farklı malzemelerin farklı termomekanik gerilimleri, bağlama telinin kaynaşmasına veya düşmesine neden olur ve sonuçta IGBT modülünün arızalanmasına neden olur. Cihaz, nominal voltajı veya akımı aşan bir voltaj veya akım aralığında çalıştırıldığında, aşırı elektrik gerilimi meydana gelebilir, güç kaybı artabilir, cihaz yerel olarak aşırı ısınabilir ve malzeme bir kısa devre veya açık devre oluşturacak şekilde eriyebilir, bu da elektrik geriliminin termal gerilime dönüşeceği anlamına gelir. , Sonunda çip arızasına yol açar.
Şekil 1 IGBT paket yapısının şematik diyagramı
Yukarıdaki analiz yoluyla, IGBT'nin arıza süreci şu şekilde özetlenebilir: cihazın çalışma süreci sırasında, termal stres, elektriksel stres ve diğer faktörler IGBT modülünün dahili fiziksel parametrelerini değiştirir ve alüminyum bağlama telinden geçen akım yeniden dengelenir, böylece bireysel alüminyum bağlar Bağlama telinin akımı artar, böylece alüminyum telin erimesi hızlanır.Tüm alüminyum bağlama telleri düştüğünde, çip başarısız olur.
1.2 Yapısal özellikler
Alüminyum bağlama teli düştükten sonra, IGBT cihazının tüm kaçak parametre ağını etkiler. Kapı devresinin başıboş parametreleri, alüminyum bağlama tellerinden ve IGBT yongalarından gelir.
Hem alüminyum bağlama teli hem de çip, başıboş direnç, başıboş endüktans ve başıboş kapasitans içerir.Alüminyum bağlama telleri arasında karşılıklı endüktans da vardır.Analizi basitleştirmek için, alüminyum bağlama telleri arasındaki karşılıklı endüktans göz ardı edilir ve dikkate alınır. Alüminyum bağlama telleri ile ilgili parametreler temelde kaçak direnç ve kaçak endüktandır.Her alüminyum tel, başıboş direnç ve başıboş endüktans ile seri olarak bağlanır.IGBT yongaları ile ilgili başıboş parametreler temelde kaçak kapasitanstır.
IGBT yongası, MOSFET ve BJT'den oluşur Şekil 2, IGBT yongasının tipik dahili yapısını gösterir. MOSFET ile ilgili kaçak kapasitans parametreleri şunları içerir: geçit kaynağı metalleştirme kapasitansı CM, geçit kaynaklı metal oksit kapasitansı COXS, geçit-boşaltma örtüşme oksidasyon kapasitansı COXD, geçit-boşaltma örtüşme tükenme katmanı kapasitansı CGDJ, CM ve COXS'nin CGE'yi ve COXD ve CGDJ'nin CGC'yi oluşturduğu geçit-boşaltma örtüşme katmanı kapasitansı CDSJ; BJT ile ilgili başıboş parametreler şunları içerir: yayıcı-toplayıcı yeniden dağıtım kapasitansı CCER, taban-toplayıcı difüzyon kapasitansı CEBD , Baz-toplayıcı dağılım kapasitansı CEBJ, temel iletkenlik modülasyon direnci RB.
Şekil 2 IGBT yongasının tipik dahili yapısı
2 Alüminyum bağlama telinin düşmesinin etkisi
Alüminyum bağlama teli, güç dalgalanmaları gibi faktörler nedeniyle düştüğünde, önce kendi başıboş direncini ve başıboş endüktansını değiştirecektir. Kapı yayıcı voltajı, terminal kapasitansı ile doğrudan bir ilişkiye sahiptir, bu nedenle tüm alüminyum bağlama tellerinin düşmesi, terminal kapasitansını etkileyecek ve bu da kapı yayıcı voltajını etkileyecektir.
2.1 Bağ teli dökülmesinin kapı başı empedansına etkisi
Alüminyum bağlama telleri, genellikle birkaç tane paralel olan elektrik bağlantısı elde etmenin anahtarıdır ve her bir bağlama teli, Şekil 3'te gösterildiği gibi başıboş direnç ve başıboş endüktansın seri bağlantısıyla oluşturulur. Bağlama tellerinin bir kısmı düştüğünde, koptuğunda veya büküldüğünde, paralel tellerin sayısı azalacak ve alüminyum bağlama tellerinin eşdeğer başıboş endüktansı ve başıboş direnci artacaktır.
Şekil 3 Kaçak direnç ve başıboş endüktansın eşdeğer devresi
Alüminyum bağlama telinin arızası, terminal kapasitansını da etkileyecektir.Yüksek akımlı bir IGBT modülünde, her birim genellikle paralel olarak iki veya daha fazla IGBT yongasından oluşur.Şekil 4, IGBT yongasının kapı eşdeğer devresini gösterir. CGC ve CGE, geçit voltajını etkileyen ana parametrelerdir ve CCE'nin etkisi ihmal edilebilir düzeydedir.
Şekil 4 IGBT çip geçidi eşdeğer devresi
CGE hesaplama formülü şöyledir:
Formülde AGE, geçit polisilikon ve yayıcı arasındaki metal örtüşme alanını temsil eder ve dox_GE, vakum dielektrik sabiti ve oksit dielektrik sabiti olan aralarındaki oksit tabakasının kalınlığını temsil eder. Tüm alüminyum bağlama telleri düşerek CGE'de bir düşüşe neden olur.
Miller kapasitör CGC, COXD ve CGDJ'den oluşur ve hesaplama formülleri şunlardır:
Formülden, CGDJ'nin değerinin VCE ile ilişkili olduğu görülebilir, bu nedenle geçit-toplayıcı eşdeğer kapasitans CGC, açma geçişi sırasında sabit bir değer değildir:
Bunlar arasında AGD, IGBT çipindeki MOSFET'in geçit-boşaltma örtüşme alanının bir parçasıdır; q elektronik yüktür; NB, baz bölgenin doping konsantrasyonudur; si, silikonun dielektrik sabitidir. Tüm bağlama telleri düştüğü için AGD azalacak ve CGDJ ve COXD buna göre azalacak, dolayısıyla CGC azalacaktır.
Yukarıdaki analizden, alüminyum bağlama telinin kısmi dökülmesinin eşdeğer kaçak direncini ve başıboş endüktansını etkilediği ve eşdeğer kaçak kapasitans değerinin de tamamı düştükten sonra etkileneceği bilinmektedir. Ek olarak, kapı eşdeğer kapasitansı ile alüminyum bağlama telinin direnci arasındaki büyüklük farkından dolayı, alüminyum bağlama teli tamamen kapalıyken, kaçak kapasitans değişikliğinin kapı voltajı üzerindeki etkisi baskındır.
2.2 Başıboş empedans değişikliklerinin kapı voltajı dalga formu üzerindeki etkisi
IGBT modülünün kaçak parametrelerinin değişimi, geçit açma voltaj dalga biçiminin değişmesine neden olur. VCE ve VGE'deki değişikliklere göre, IGBT açılma geçici süreci Şekil 5'te gösterildiği gibi 3 aşamaya ayrılabilir:
Şekil 5 IGBT cihazının açılma geçici süreci
Aşama 1 (t1 < t < t2): Kapı voltajı VGE yükselmeye başlar, ancak henüz VGE'ye (th) ulaşmamıştır ve IGBT cihazı hala kapalı durumdadır. Kapı akımı CGE ve CGDJ'yi şarj eder ve şarj süresi sabiti = (Rw + Rg) (CGE + CGDJ) 'dir. Alüminyum bağlama teli arızasının bir kısmının başıboş direnci artar, bu nedenle geçit voltajı yükselme süresi artar ve yükselme hızı yavaşlar; yonga arızası, CGE'nin azalmasına neden olur, yani kapı döngüsü içindeki kaçak kapasitans azalır, bu nedenle geçit voltajı yükselme süresi azalır. Daha küçük, yükselme hızı artar.
Aşama 2 (t2 < t < t3): Geçit voltajı VGE'yi (th) aşar ve IGBT cihazı açılır. Miller kapasitör CGC'nin varlığı, VGE'nin Miller plato dönemi gibi görünmesine neden olur ve sabit akım kaynağının tamamı CGC'ye yüklenir, bu nedenle Miller platformunun süresi CGC ile ilgilidir. Tüm bağlama telleri düşer ve CGC azalır, böylece Miller platformunun süresi kısalır. Miller platformunu yakalamak çok yüksek çözünürlüklü bir osiloskop gerektirir.
Aşama 3 (t3 < t < t4): VCE, durumdaki doygunluk voltaj düşüşüne düşer ve VGE kademeli olarak kararlı durum değerine yükselir. Formül (3) 'ten, CGC = COXD'nin bir sabit olduğunu görebiliriz. Aynı aşamada 1, alüminyum bağlama teli parçası başarısız olduğunda VGE yükselme hızı yavaşladı ve çip başarısız olduğunda VGE yükselme hızı arttı.
Özetle, birinci ve üçüncü aşamalar aynı değişen yasaya sahiptir, bu nedenle Miller platformu ele geçirilemezse, birinci ve üçüncü aşamalar analiz için birleştirilebilir.
3 Deneysel test ve sonuçlar
Laboratuvardaki gerçek çalışma koşulları altında güç çevrimi gibi faktörler, IGBT cihazlarının alüminyum bağlama tellerinin arızasını simüle etti. Alüminyum bağlama telinin düşme işlemi sırasında değişen kapı voltajı yasasını inceleyin.
Şekil 6, anahtarlama karakteristiği test devresini gösterir, Vdc = 450 V, sürüş voltajı yüksek seviye +15 V, frekans 10 kHz, yük empedansı 3 mH, 20 , kapı direnci Rg = 10 , osiloskop örnekleme frekansı 1.25 GS / s. Alüminyum bağlama teli normal olduğunda ve sırasıyla 1-6 teller düştüğünde IGBT modülünün geçit açma voltajı VGE'yi ölçün.Şekil 7, alüminyum bağlama teli normal olduğunda ve alüminyum bağlama teli düştüğünde geçiş voltajı dalga biçiminin bir karşılaştırma diyagramıdır.
Şekil 6 Test devresi
Şekilden, bir IGBT yongası üzerindeki alüminyum bağlama teli tamamen kesildiğinde, yani yonga arızalandığında, VGE dalga biçiminin açıkça sol üste kaydırıldığı, yani yükselme hızının arttığı; alüminyum bağlama teli kısmen kapalı olduğunda VGE dalga biçiminin arttığı görülmektedir. Sağ alt tarafa sapma, yani yükselme hızı azalır ve çeşitli parazitik parametrelerin varlığından dolayı, dalga formu, alüminyum bağlama tellerinin sayısı arttıkça yavaş yavaş aşağıya doğru sapmaz, ancak kesişir. Amacımız, birkaç alüminyum bağlama telinin düşüp düşmediğini doğru bir şekilde belirlemek olmadığından, alüminyum bağlama tellerinin düşüp düşmediğini ve bir alüminyum bağlama telinin düşmesi, VGE anormal şekilde tespit edildiği sürece diğer alüminyum bağlama tellerinin düşmesini hızlandıracaktır. IGBT modülü zamanında değiştirilmelidir.
Şekil 7 Alüminyum bağlama teli normal ve arızalı olduğunda kapı voltajı dalga formu
4 Arıza özelliği bilgilerinin çıkarılması
VGE dalga biçimi değişikliği arızanın başlangıcında açık olmayabilir ve insan gözü tanımanın belirli sınırlamaları vardır.Bu, yararlı arıza bilgisini çıkarmak veya devrenin normal çalışma sinyalinden farklı olan özellikleri bulmak için ölçülen sinyalin işlenmesini gerektirir. Bu bölüm dalgacık analizini bilgi entropisiyle birleştirir, dalgacık paketi tarafından ayrıştırılan enerji sinyalini arıza karakteristik miktarı olarak alır, enerji spektrum entropi değerini alır ve IGBT cihazının entropi değerinin değişmesi nedeniyle alüminyum bağlama teli arızası olup olmadığına karar verir.
Dalgacık dönüşümü ve bilgi entropisini birleştirerek dalgacık enerji spektrumu entropisi ve dalgacık zamanı entropisinin tanımları ve hesaplama yöntemleri elde edilebilir. IGBT cihazlarının yaşlanma arızası, VGE'nin değişmesine neden olur, bu da voltajın frekans spektrumunun farklı olduğu ve buna karşılık gelen frekans bandı sinyallerinin enerjisinin de değişeceği anlamına gelir.Bu nedenle, dalgacık enerji spektrum entropisinin hesaplama yöntemi bu makalede analiz için seçilmiştir.
E = E1, E2, ..., Em, m ölçeğindeki VGE sinyalinin dalgacık enerjisi spektrumu olsun. Ortogonal dalgacık dönüşümünün özelliklerine göre, belirli bir zaman penceresindeki sinyalin toplam gücü E, her bileşenin Ej gücünün toplamına eşittir, pj = Ej / E olarak ayarlayın, ardından pj = 1 ve karşılık gelen dalgacık enerji spektrum entropisi şu şekilde tanımlanır:
Formülde pj, Ej ölçeğinin enerjisinin tüm fonksiyonun enerjisine yüzdesini temsil eder ve her bileşenin gücü:
Formülde, Dj (n) dalgacık ayrışma katsayısı, n ise örnekleme noktalarının sayısıdır. Yüksek frekans bandında dalgacık ayrışmasının zayıf frekans çözünürlüğü ve düşük frekans bandında zayıf zaman çözünürlüğü probleminin üstesinden gelmek için, bu makale daha rafine bir dalgacık paketi ayrıştırması kullanır.
Dalgacık enerji spektrumu entropisi, her dalgacık ölçeğindeki sinyalin enerji dağılımı homojenliğini temsil eder. Sinyal frekansı bileşeni ne kadar basitse, sinyal enerjisi birkaç ölçekte daha fazla yoğunlaşır ve dalgacık enerji spektrumu entropisi o kadar küçük olur.
Formül (5) ve formül (6) 'ya göre voltaj sinyali dalgacık paketi ile ayrıştırılır ve Tablo 1'deki sonuçları elde etmek için enerji spektrum entropisi hesaplanır.
Tablo 1'den, VGE'nin enerji spektrum entropisinin, alüminyum bağlama telinin düşmemesini karakterize etmek için karakteristik bir değer olarak kullanılabileceği görülebilir. Alüminyum bağlama teli 1-5 düştüğünde VGE'nin enerji spektrumu entropisi% 26 ~% 37 azalır.Alüminyum bağlama teli arızalarının sayısının artmasıyla kesin olarak azalmasa da normal şartlara göre de oluşur. Büyük değişiklikler; alüminyum bağlama tellerinin tümü düştüğünde, enerji spektrumunun entropi değeri% 99,96 oranında artar, bu normal değerden büyük bir değişikliktir. Bu nedenle, IGBT alüminyum bağlama teli düşme arızasının durumunu izlemek için dalgacık enerji spektrumu entropisinin analiz yöntemini kullanmak mümkündür.Bu yöntemin açık fiziksel anlamı vardır ve uygulaması kolaydır.
5. Sonuç
Alüminyum bağlama teli arızasının kaçak empedans ve kapı voltajı üzerindeki etkisinin analizine dayanan bu makale, deneyler yoluyla alüminyum bağlama teli düşme hatasını simüle eder ve kapı voltajındaki değişikliği ölçer ve aşağıdaki sonuçları çıkarır:
(1) Alüminyum bağlama teli arızasından önce ve sonra, kapı açma voltajı değişti ve belirli bir model gösterdi: alüminyum bağlama telinin bir kısmı düştü ve VGE sağ alt köşeye kaydı ve tüm alüminyum bağ telleri düştüğünde dalga formu sol üst köşeye kaydı.
(2) Alüminyum bağlama telinin arızalanmasından önceki ve sonraki enerji spektrumu entropi değeri dalgacık enerji spektrumu entropi algoritması ile hesaplanır.Arıza değeri normal değerden önemli ölçüde değişir.Sonuç, sezgisel ve doğrudur, bu da IGBT cihazlarının durum izlemesini gerçekleştirmek için bir temel sağlar.
Referanslar
Yang Shaoyang, BRYANT A, MAWBY P, ve diğerleri. Güç elektroniği dönüştürücülerinde endüstri temelli bir güvenilirlik araştırması, Endüstri Uygulamalarında IEEE İşlemleri, 2011, 47 (3): 1441-1451.
Jonas Sjolte, Gaute Tjensvoll, Marta Molinas Termal döngüye odaklanarak dalga enerjisi dönüştürücü için IGBT invertörünün güvenilirlik analizi. Endüstri Uygulamalarında IEEE İşlemleri, 2014, 1-7.
Lai Wei, Chen Minyou, Ran Li ve diğerleri.Yaşlanma testi koşulları altında IGBT arıza mekanizmasının analizi.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği'nin Bildirileri, 2015 (20): 5293-5300.
Yu Xin, Du Mingxing, Dou Ruzhen ve diğerleri.IGBT güç modülü bağlantı teli arızasının sıcaklık özellikleri üzerine araştırma.Güç Elektroniği Teknolojisi, 2015 (2): 55-57.
Wang Chunlei, Zheng Libing, Fang Huachao, ve diğerleri.Bağ teli arızasının IGBT modüllerinin performansı üzerindeki etkisinin analizi.Elektrik Mühendisliği Teknolojisi Dergisi, 2014 (S1): 184-191.
JI B, PICKERT V, CAO W P, vd. IGBT güç modüllerinde lehim yorgunluğunun yerleşik durum izlemesi. IEEE Uluslararası Elektrik Makineleri, Güç Elektroniği ve Sürücüler için Teşhis (SDE MPED) Sempozyumu, 2013,9-15.
Nishad PatH, Diganta Das, Kai Goebel ve diğerleri.İzoleli geçit bipolar transistör öncüleri (IGBT'ler) için arıza parametrelerinin tanımlanması. Uluslararası Prognostik ve Sağlık Yönetimi Konferansı, 2008,1-5.
Wei Kexin, Du Mingxing, Xie Linlin ve diğerleri.IGBT modülünün harici ölçülebilir sinyalleri üzerindeki bağlama teli arızası etkilerinin incelenmesi. IEEE Journals Magazines, 2014, 14 (1): 83-89.
Yang Xu. Doygunluk voltaj düşüşü ölçümüne dayalı IGBT güç modülü durum değerlendirme yöntemi üzerine araştırma Chongqing: Chongqing Üniversitesi, 2012.
Zhou Luowei, Zhou Shengqi, Sun Pengju.IGBT modülü dahili kusurlarının tanılama yöntemi, başıboş parametre tanımlamasına göre, Journal of Electrotechnical Technology, 2012 (5): 156-163.
Zeng Qinghu, Liu Guanjun, Qiu Jing. Dalgacık korelasyon özelliği ölçek entropisine dayalı tahmin özelliği bilgi çıkarma yöntemi üzerine araştırma Çin Makine Mühendisliği, 2008 (10): 1193-1196.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
