【導讀】本文介紹了高壓IGBT模塊在濕度影響下的壽命預估模型。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(jìn)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都集成到壽命預估模型中。通過(guò)試驗，我們同時(shí)發(fā)現濕度對高壓IGBT模塊的壽命有很大影響。
1、引 言
在一些電力電子應用場(chǎng)合，不僅需要高壓IGBT模塊有優(yōu)異的性能，還需要具有相當高的可靠性；為了滿(mǎn)足實(shí)際需求，希望高壓IGBT模塊的壽命能達到30年，所以，高壓IGBT模塊的壽命預估非常重要。以前，盡管我們都知道濕度會(huì )對高壓IGBT模塊的壽命產(chǎn)生很大影響，但是沒(méi)有一個(gè)準確的壽命預估模型把濕度因素考慮進(jìn)來(lái)。三菱電機持續研究濕度對高壓IGBT模塊可靠性的影響，從而得到新的高壓IGBT模塊的壽命預估模型，通過(guò)這個(gè)模型來(lái)預估高壓IGBT的壽命。同時(shí)，三菱電機通過(guò)采用SCC(Surface Charge Control)技術(shù)開(kāi)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(jìn)行了研究。高濕引起高壓IGBT模塊的失效機理詳見(jiàn)PCIM 2015論文[2]。
一般來(lái)說(shuō)，擊穿電壓會(huì )隨著(zhù)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(zhù)QSS變化的曲線(xiàn)圖。高濕度工況下的失效機理如下所述。
當給集電極和發(fā)射極之間施加電壓，高壓IGBT內部的凝膠會(huì )被電極化，芯片的邊緣會(huì )累積電荷QSS，同時(shí)，凝膠中的濕氣會(huì )加速電荷的集聚，此時(shí)，其擊穿電壓在高濕環(huán)境下會(huì )下降。所以濕度和電壓會(huì )加速I(mǎi)GBT模塊的退化，同時(shí)溫度也會(huì )加速I(mǎi)GBT模塊的退化。
三菱電機通過(guò)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的絕緣材料，這個(gè)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(huì )通過(guò)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(wú)故障時(shí)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。指數x為相對濕度的影響，指數y為電壓的影響，都是經(jīng)驗數據，但是必須通過(guò)實(shí)際評估來(lái)確認。我們把此加速模型擴展到壽命預估模型中。
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k=8.62×10-5eV/K。
LT是考慮濕度、溫度和電壓的預估壽命，公式中的參數，LTb是參考條件下的基本壽命，與每個(gè)高壓IGBT模塊的結構相關(guān)，濕度加速因子πH，溫度加速因子πT，電壓加速因子πV，其它的參數來(lái)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(shí)，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果
3.3kV高壓IGBT的溫濕反偏試驗是在以下三個(gè)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），測試結果如圖4，圖5和圖6所示。
根據失效機理，濕度引起的失效應該在芯片的邊緣區域。試驗過(guò)程中發(fā)生的失效點(diǎn)，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(gè)小時(shí)。同樣，如圖5所示，在測試條件B的平均壽命為309個(gè)小時(shí)。所以，從相對濕度85%到相對濕度95%，加速因子αf_A-B通過(guò)計算為3023/309=9.78。相對濕度的經(jīng)驗影響因子x通過(guò)下式計算：
這里RHa_testB=95%, RHa_testA=85%, 所以上式的計算結果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(gè)小時(shí)。同樣，如圖6所示，在測試條件C的平均壽命為490個(gè)小時(shí)。所以，從電壓2000V到電壓2800V，加速因子αf_C-B通過(guò)計算為490/309=1.59。電壓的經(jīng)驗影響因子y通過(guò)下式計算：
這里Va_testB=2800V, Va_testC=2000V,, 所以上式的計算結果y=1.37。
5. 3.3kV IGBT壽命預估
5.1 基本壽命時(shí)間
這里，參考條件定義為RHu=75%，Tu=25℃和Vu=1500V。通過(guò)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轉換為如表1、表2和表3所示的參考條件。
以上失效點(diǎn)集成為圖8所示的威布爾曲線(xiàn)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(shí)，在此威布爾分析中，排除了最大點(diǎn)和最小點(diǎn)。所以，在參考條件下，3.3kV IGBT的壽命LTb=1210年。
5.2 壽命預估模型
所有參數通過(guò)溫濕反偏試驗A、試驗B和試驗C得到確認。所以新的壽命預估模型如下：
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
新的壽命預估模型僅考慮了濕度引起的失效，但是在實(shí)際運行時(shí)必須考慮除了濕度以外其它因素引起的失效。
5.3 壽命預估結果
通過(guò)以上壽命預估模型，可以預估3.3kV IGBT在不同工況下的壽命。圖9展示了壽命預估結果，包含了在直流1500V下1年、30年和1000年的溫度濕度矯正曲線(xiàn)。通過(guò)這些曲線(xiàn)，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(huì )造成壽命從1000年減為30年，所以，相對來(lái)說(shuō)，相對濕度的影響比溫度影響更大。一般來(lái)說(shuō)，當變流器內部升溫時(shí)，絕對濕度會(huì )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(huì )從30年增加到1000年。所以，預加熱是一種非常有效的抑制濕度失效的方法。
當然，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(shí)際壽命在實(shí)際中并沒(méi)有這么長(cháng)。
同時(shí)，以上壽命預估模型是基于溫濕反偏試驗，所以沒(méi)有考慮溫度快速變化的情況。特別當快速冷卻會(huì )造成凝露，比高濕工況更加嚴酷。在實(shí)際工況中，這種溫度快速變化的工況也應該考慮。為了防止凝露，同樣的，預加熱是一種有效的手段。
6. 結 論
本文介紹了考慮濕度影響的壽命預估模型。通過(guò)這個(gè)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(xiàn)，并且確認了3.3kV IGBT模塊具有足夠的抑制濕度失效的能力。
同時(shí)，本文確定了高濕會(huì )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(shí)，必須考慮濕度帶來(lái)的影響。預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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