在追求2060年“碳中和”目標(biāo)的道路上，高效利用綠色能源顯得尤為重要。功率模塊，作為綠色能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件，其性能至關(guān)重要。而絕緣柵門(mén)極晶體管(IGBT)，作為電源轉(zhuǎn)換中的核心芯片，因其高頻使用而成為故障多發(fā)點(diǎn)。因此，深入探究IGBT的失效機(jī)理及其檢測(cè)方法顯得尤為迫切。IGBT功率模塊的可靠性，在很大程度上取決于其穩(wěn)定的電氣連接、出色的絕緣性能以及強(qiáng)大的抗干擾能力，而這些都離不開(kāi)可靠的封裝技術(shù)。接下來(lái)，帶您深入了解IGBT的具體構(gòu)造和工作過(guò)程。

IGBT模塊中的芯片主要由硅材料制成，而硅材料自身存在兩種類(lèi)型的缺陷：質(zhì)量缺陷和潛在缺陷。這兩種缺陷在檢測(cè)方式上有所不同。如果模塊的缺陷可以通過(guò)控制程序進(jìn)行檢測(cè)，那么這種缺陷就被歸類(lèi)為質(zhì)量缺陷;然而，有些缺陷僅通過(guò)質(zhì)量控制無(wú)法察覺(jué)，需要借助外部條件如對(duì)模塊施加特定刺激才能被發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)具有隱蔽性的缺陷被稱(chēng)為潛在缺陷。由于每個(gè)模塊的外部環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都獨(dú)一無(wú)二，因此其缺陷類(lèi)型也各不相同，導(dǎo)致模塊失效的原因和方式呈現(xiàn)出復(fù)雜性。此外，IGBT模塊在不同使用環(huán)境下所受到的限制和應(yīng)力也會(huì)有所不同，進(jìn)而影響其失效的程度。

與眾多功率半導(dǎo)體相比，IGBT的芯片溫度確定過(guò)程往往更為繁復(fù)。這主要?dú)w因于IGBT常采用的一體式封裝設(shè)計(jì)，其中不僅集成了IGBT芯片，還包含了二極管芯片。為了準(zhǔn)確獲取每個(gè)芯片的溫度狀態(tài)，我們必須深入了解各芯片的功耗、工作頻率、熱阻θ以及相互間的交互作用系數(shù)。此外，還需詳細(xì)掌握每個(gè)器件的θ值及其與交互作用系數(shù)psi的關(guān)聯(lián)。接下來(lái)，我們將重點(diǎn)探討如何對(duì)功率二極管和IGBT芯片的溫升進(jìn)行精確測(cè)量。在電路拓?fù)浜凸ぷ鳁l件的影響下，兩個(gè)芯片間的功率損耗可能顯著不同。IGBT的損耗主要包含導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)(開(kāi)通與關(guān)斷)損耗，而二極管的損耗則涉及導(dǎo)通與關(guān)斷兩個(gè)階段。為了精確測(cè)量這些損耗，通常需要借助示波器，利用電壓和電流探針來(lái)監(jiān)控器件在運(yùn)行過(guò)程中的波形變化。此外，還需要運(yùn)用數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)計(jì)算測(cè)得的能量，進(jìn)而確定一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的總能量，并最終通過(guò)除以開(kāi)關(guān)周期時(shí)間來(lái)得出功耗。

根據(jù)電路拓?fù)浜凸ぷ鳁l件，兩個(gè)芯片之間的功率損耗可能會(huì)有很大差異。IGBT 的損耗可以分解為導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)(開(kāi)通和關(guān)斷)損耗，而二極管損耗包括導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。準(zhǔn)確測(cè)量這些損耗通常需要使用示波器，通過(guò)電壓和電流探針監(jiān)視器件運(yùn)行期間的波形。測(cè)量能量需要用到數(shù)學(xué)函數(shù)。確定一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的總能量后，將其除以開(kāi)關(guān)周期時(shí)間便可得到功耗。

IGBT作為電力電子領(lǐng)域的核心元件之一，其結(jié)溫Tj高低，不僅影響IGBT選型與設(shè)計(jì)，還會(huì)影響IGBT可靠性和壽命。因此，如何計(jì)算IGBT的結(jié)溫T j ，已成為大家普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。由最基本的計(jì)算公式T j =T a +R th(j-a) *Ploss可知，損耗Ploss和熱阻R th(j-a) 是Tj計(jì)算的關(guān)鍵。

在掌握了五個(gè)損耗分量之后，我們需要進(jìn)一步將這些數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量條件相結(jié)合，以推算出每個(gè)芯片的整體功耗。首先，我們來(lái)看感性負(fù)載的波形。感性負(fù)載，例如電機(jī)，其電壓和電流波形具有典型的特征。在t0到t1的時(shí)間段內(nèi)，電流呈現(xiàn)電抗性，此時(shí)二極管負(fù)責(zé)傳導(dǎo)電流;而在t1到t2的時(shí)間段內(nèi)，電流轉(zhuǎn)為阻性，IGBT則開(kāi)始傳導(dǎo)電流。這些不同時(shí)間段的功耗特性對(duì)于整體功耗的計(jì)算至關(guān)重要。雖然基于單個(gè)脈沖計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的平均功耗相當(dāng)復(fù)雜，但我們可以采用合理的方法進(jìn)行估算。為此，我們需要詳細(xì)計(jì)算該時(shí)間段的平均功耗。而在此過(guò)程中，平均(或加熱)當(dāng)量的計(jì)算顯得尤為關(guān)鍵。對(duì)于電壓和電流值，我們采用均方根值來(lái)計(jì)算;而對(duì)于功率，我們則直接計(jì)算其平均值。

在推算每個(gè)芯片的整體功耗時(shí)，我們需要進(jìn)一步關(guān)注平均功耗的計(jì)算。這一步驟對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估IGBT與二極管的功耗至關(guān)重要。為了計(jì)算平均功耗，我們需要詳細(xì)分析感性負(fù)載的波形特征，特別是電壓和電流的變化情況。在電流呈現(xiàn)電抗性的時(shí)間段內(nèi)，二極管負(fù)責(zé)傳導(dǎo)電流，而在電流轉(zhuǎn)為阻性的時(shí)間段內(nèi)，IGBT則開(kāi)始發(fā)揮作用。通過(guò)分別計(jì)算這兩個(gè)時(shí)間段的功耗，并加以平均，我們可以得到更為準(zhǔn)確的平均功耗值。IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的開(kāi)通損耗(turn-on loss)和關(guān)斷損耗(turn-off loss)在不同的工作條件下可能會(huì)有所不同，但通常情況下，IGBT的關(guān)斷損耗要比開(kāi)通損耗更大。

1. 關(guān)斷過(guò)程中的拖尾電流：IGBT是雙極性器件，在導(dǎo)通時(shí)電子和空穴都參與導(dǎo)電。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，溝道內(nèi)的電子可以迅速被抽取走，但是空穴只能通過(guò)復(fù)合慢慢清除。這導(dǎo)致了一個(gè)明顯的拖尾電流，即在理論上應(yīng)該已經(jīng)完全關(guān)閉的時(shí)候，仍然有一些電流流過(guò)，直到所有空穴都消失。這個(gè)拖尾電流會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，從而增加了關(guān)斷損耗。

2. 開(kāi)通速度較快：MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)作為單極性器件，在開(kāi)通時(shí)只有電子參與導(dǎo)電，因此沒(méi)有拖尾電流的問(wèn)題。雖然IGBT的開(kāi)通過(guò)程也涉及電子和空穴，但由于多數(shù)載流子(電子)的移動(dòng)速度相對(duì)較快，所以IGBT的開(kāi)通損耗相對(duì)較低。

3. 溫度和電流的影響：開(kāi)關(guān)損耗與集電極電流和IGBT結(jié)溫有關(guān)。通常，隨著溫度的升高和電流的增大，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)增加。特別是對(duì)于關(guān)斷損耗來(lái)說(shuō)，由于拖尾電流的存在，這種影響更加明顯。

塑封料與芯片、基板的熱膨脹系數(shù)不匹配是導(dǎo)致分層比例偏大的重要原因，這可能進(jìn)一步損傷芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引發(fā)短路和漏電流偏大等問(wèn)題。因此，在封裝過(guò)程中，需要充分考慮并有效控制這些匹配問(wèn)題，以確保芯片的穩(wěn)定性和可靠性。

4. 塑封過(guò)程中的應(yīng)力

若模具的脫模能力不足，或在塑封后的冷卻過(guò)程中存在溫度沖擊，都可能導(dǎo)致分層比例偏大，進(jìn)而影響散熱能力。此外，若切筋過(guò)程中的夾具與模具配合不當(dāng)，也可能引發(fā)引腳分層比例偏大。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中，由于熱應(yīng)力、電流脈沖的影響，以及靜電損傷，都可能造成電性能參數(shù)的偏移。

綜上所述，由于IGBT在關(guān)斷過(guò)程中特有的拖尾電流現(xiàn)象，其關(guān)斷損耗往往比開(kāi)通損耗要大。不過(guò)，實(shí)際的損耗情況還取決于具體的電路條件、工作頻率、負(fù)載特性以及IGBT的具體型號(hào)等因素。在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行精確的分析和計(jì)算。