基于集电极漏电流的igbt健康状态监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子器件与装置可靠性技术领域，具体涉及一种基于集电极漏电 流的IGBT健康状态监测方法。
【背景技术】
[0002] 绝缘栅双极型晶体管（IGBT)作为电力电子装置的核心部件，其可靠性已成为决 定整个装置安全运行的最重要因素。国外有研究机构对80个公司的200多件产品调查后 发现，接近40%的电力电子装置故障是由器件失效引起。随着IGBT器件在航空航天、电磁 发射、海上运输、轨道交通、新能源发电等军事经济领域的广泛应用，其功率等级越来越高， 工作环境更加恶劣，使用条件日益苛刻，对可靠性提出了越来越严苛的要求。
[0003] 引发IGBT器件失效的外部因素很多，如电源或负载波动、驱动或控制电路故障、 散热装置故障、线路短路等，属于过失或随机失效，通过提高外部装置和辅助电路可靠性， 可有效避免此类失效发生。然而，由于模块开关运行过程中，长期受到电热应力作用，随着 作用效果的不断累积，器件产生疲劳老化，导致材料及器件性能指标下降而引发的失效，属 于疲劳失效，此类失效是不可阻止、不可避免的。
[0004] IGBT器件疲劳失效，是指随着器件运行时间的累积，芯片和封装材料逐渐产生疲 劳，可靠性逐渐下降，最终导致器件疲劳失效，IGBT器件疲劳失效模式包括芯片疲劳失效和 封装疲劳失效。芯片疲劳失效是指在电热应力作用下IGBT芯片硅材料、栅极和发射极界面 产生疲劳，芯片电气性能发生变异，随着芯片疲劳程度的加剧，集电极漏电流偏离其正常水 平的幅度增大，直至器件失效。
[0005] 绝缘栅双极型晶体管（IGBT)等半导体器件均可以看成是由多种部件或多种材料 组成的串联或串并联系统。在这一系统中，有许多固相交界面，在电、热、物理和化学应力 作用下，产生界面效应，引发界面疲劳失效。半导体器件界面主要包括金属一半导体界面 (Al-Si)，半导体一绝缘体界面（Si-Si02)，金属一绝缘体界面（Al-Si02)，硅化物界面，以 及绝缘体一绝缘体界面。IGBT栅极界面包括Al-Si02界面和Si-Si02界面，发射极界面为 Al-Si界面。
[0006] IGBT器件在温度（T)、交变温度（Λ T)、电压（V)、电流（I)、湿度⑶等外界应力 作用下，芯片栅极和发射极界面两相间发生固一固扩散、离子电荷迀移、热电子注入，甚至 出现裂纹等，导致界面的电、热、机械特性发生缓慢变异，从而引起器件参数退化，直至器件 最终失效。
[0007] Al-Si界面可以是欧姆接触，也可以是肖特基势皇接触。在Al的沉积与合金过程 中，以及器件经受强电流冲击时（这种强电流可来自各种电磁干扰、静电放电、超功率老化 和寿命实验等），Al-Si界面发生了 Si向Al中的固态溶解，Si在Al晶界中的电迀移，Al 在Si中的热电迀移等物理过程，导致Si接触窗口出现渗透坑，轻则造成势皇高度增大；重 则导致漏电流增大，PN结短路。
【发明内容】
[0008] 针对上述技术问题，本发明提供了一种基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测 方法，通过初始状态标定与实时监测，即可对处于不同寿命阶段的IGBT器件健康状态与可 靠性进彳丁有效评估。
[0009] 本发明提供了一种基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法，包括以下步骤：
[0010] (1)安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试经检测合格的IGBT器件 的集电极漏电流，标记为初始值I lraMst);
[0011] (2) IGBT器件投入使用后，定期测试IGBT器件的集电极漏电流并记录测试值 1 leak，
[0012] (3)将测试值初始值I WMst)进行比较，根据比较结果判断IGBT器件的集电 极漏电流是否达到失效标准；
[0013] (4)当集电极漏电流未达到IGBT器件失效标准时，将步骤⑵中获得的测试值带 入集电极漏电流健康状态监测方法仿真模型中，该模型参数通过IGBT使用手册和参数提 取方法获取，进而计算出IGBT器件的疲劳老化进程与剩余寿命，实现IGBT健康状态监测；
[0014] (5)当集电极漏电流达到IGBT器件失效标准时，判定为器件失效并对IGBT器件进 行更换，并重复上述步骤。
[0015] 所述步骤⑷中集电极漏电流W建康状态监测方法仿真模型如下式：
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[0019] A为芯片有效面积，q为电子电荷量，Ii1为本征载流子浓度，W为基区宽度，CmS 氧化层电容，Nb为基区掺杂浓度，T为温度，L为扩散长度，D p为空穴扩散系数，α _为PNP 晶体管电流增益，yns为导电沟道中电子的迀移率，Xinv为反型层的厚度，ζ为反型层宽度， 1为反型层长度，Qn为反型层中单位面积所包含的自由电子电荷，V g为栅极电压，V FB为平带 电压，Vth为阈值电压，V (；E为额定电压，I _为沟道电流，Δ I _为沟道电流增量记，I 发射极界面漏电流，Tf为IGBT已使用的时间，a、b、c分别为与应力水平相关的系数。。
[0020] 所述步骤（3)中提到的IGBT器件失效标准依据器件失效国际标准IEC47E/114/ ⑶V和IGBT行业通用失效标准，测试值I leak为初始值I leaMst)的两倍时，即I leaMsf)= 2 Ileak(st) 时，判定为IGBT失效。
[0021] 所述步骤（4)通过比较由模型计算出的IGBT已使用的时间Tf和产品设定的使用 寿命T F，判断产品的疲劳老化进程和剩余寿命。
[0022] 本发明针对IGBT器件芯片疲劳失效机理，建立了集电极漏电流健康状态监测方 法，采用所得到的健康状态监测方法，实时监控器件的健康状态。该方法基于IGBT基本结 构、半导体物理和器件可靠性物理学，通过详细分析IGBT芯片疲劳失效机理，在研究电气 特征量一集电极漏电流随疲劳老化应力水平和施加时间变化规律的基础之上，通过将理论 分析与解析描述相结合，建立了针对IGBT芯片疲劳失效的集电极漏电流健康状态监测方 法。当IGBT器件达到失效标准，未最终丧失既定功能时，对器件进行及时更换，确保器件安 全可靠运行，避免因 IGBT器件故障导致装置停机或爆炸而造成不可挽回的重大损失。
【附图说明】
[0023] 图1为IGBT结构示意图
[0024] 图2为IGBT反偏PN结J2电场分布
[0025] 图3为集电极漏电流随空穴迀移率变化规律
[0026] 图4为当VgS V FB时，漏电流健康状态监测方法仿真模型（M〇del_Ileak_l)
[0027] 图5为当VFB〈Vg< V』寸，漏电流健康状态监测方法仿真模型（M〇del_Ileak_2)
[0028] 图6为当Vth〈Vg〈VSE时，漏电流健康状态监测方法仿真模型（M 〇del_Ileak_3)
[0029] 图7为IGBT漏电流健康状态监测方法仿真模型
[0030] 图8为温度20°C，电压400V，IGBT未发生疲劳时，漏电流随栅极电压变化情况的 仿真结果和实验结果a
[0031] 图9为温度20°C，电压400V，IGBT未发生疲劳时，漏电流随栅极电压变化情况的 仿真结果和实验结果b
[0032] 图10为集射极电压400V时，不同温度下，IGBT未发生疲劳时，漏电流随栅极电压 的变化规律
[0033] 图11为温度80°C时，不同电压下，IGBT未发生疲劳时，漏电流随栅极电压的变化 规律
[0034] 图12为IGBT疲劳老化1200h后，在温度20°C，集射极电压400V的条件下，漏电流 随栅极电压变化规律仿真与实验结果a (A组模块）
[0035] 图13为IGBT疲劳老化1200h后，在温度20°C，集射极电压400V的条件下，漏电流 随栅极电压变化规律仿真与实验结果b (B组模块）
[0036] 图14为IGBT疲劳老化1200h后，在温度80°C，集射极电压600V的条件下，漏电流 随栅极电压变化规律仿真与实验结果a (A组模块）
[0037] 图15为IGBT疲劳老化1200h后，在温度80°C，集射极电压600V的条件下，漏电流 随栅极电压变化规律仿真与实验结果b (B组模块）
[0038] 图16为温度20 °C，栅极电压4. OV时，IGBT漏电流随疲劳老化时间的变化规律
[0039] 图17为集射极电压400V，栅极电压4. OV时，IGBT漏电流随疲劳老化时间的变化 规律
[0040] 图18为温度20 °C，集射极电压400V时，IGBT漏电流随疲劳老化时间的变化规律
[0041] 图19基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法实施步骤流程图
【具体实施方式】
[0042] 下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
[0043] 本发明提供了一种基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法，包括以下步骤：
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