如何正确理解功率循环曲线

作者：杨勇

近年来IGBT的可靠性问题一直受到行业的广泛关注，特别是风力发电、轨道交通等应用领域。IGBT的可靠性通常用以芯片结温变化为衡量目标的功率循环曲线和基板温度变化为衡量目标的温度循环曲线来评估。引起IGBT可靠性问题的原因主要是IGBT是由多种膨胀系数不同的材料焊接在一起，工作过程中温度的变化会引起结合点的老化，以及绑定线在工作过程中热胀冷缩；另外绑定线的成分，绑定工具的形状、绑定参数以及芯片的金属化焊接等因素都会影响IGBT的可靠性。

本文以功率循环曲线为例介绍如何正确理解IGBT厂家给出的功率循环曲线。

上图是一张典型的IGBT功率循环曲线图，图中横轴是芯片结温变化值，其定义是测试开始时开通阶段芯片温度最高值减去关断阶段芯片温度最低值；纵轴是IGBT饱和电压上升了初始值5%时的循环次数；图中的实线表示数据是实验室测试值，虚线是通过数学模型仿真得到的数值。图中右面给出了测试条件，典型的测试循环周期是3秒，其中开通关断各1.5秒；测试的最高温度是150摄氏度，有时也会给出100摄氏度、125摄氏度的曲线。

如果仅仅了解这些，那对功率循环曲线是不够的。因为测试的条件以及失效条件会极大地影响到循环能达到的数值。

1. 脉冲宽度对PC曲线的影响

首先看一下测试脉冲宽度。上述提到测试周期是3秒，但是在实际测试中有四种不同的加载方法[1]，分别是：

1. 恒定导通和关断时间
2. 恒定壳温
3. 恒定功率
4. 恒定结温波动

从上述测试条件的描述可以看出，在这四种测试方法中，对于相同的被测对象测试结果差异很大。第一种测试方法由于没有任何补偿，测试条件最苛刻，后三种都增加了补偿，或者通过减小脉冲宽度、或者通过提高门极电压，因此测试循环次数相对较多。德国Chemnitz大学的研究人员对600V 50A的EasyPACK做了对比试验，测试结果如下图所示。从图中可以看出，恒定开通关断测试得到的循环次数最短（黑色线），恒定结温波动的循环次数最多（紫色线）。其原因是在第一种测试方法中，随着测试的进行器件饱和电压上升，由于开通脉冲时间固定，所以每个脉冲能量是增加的，因此结温变化也会高于初始值；英飞凌采用恒定开通和关断时间的测试方法。

2. 失效判定条件对PC曲线的影响

通常器件饱和电压上升了5%后认为器件失效，一般而言测试需要的一定数量的样品，通常选择72个芯片，依照概率统计的方法选95%的置信度作为最后的统计值。也就是说厂家给出的功率循环次数值其实是在某一置信度条件下的概率统计值，如果置信度给的不一样，那最后的结果也会不一样。在实际应用中，如果仅仅测试几个样品，得到的结论往往是不够全面。

3. 实际开通时间对PC曲线的影响

一般厂家给出的测试周期是3秒， 但在实际工作中， 例如风力发电直驱机组，假设电机侧电流周期大约10Hz，一个周波为0.1s，考虑一个IGBT 开关的持续开通时间为50ms，在这个期间IGBT 的温度持续上升，在下一个50ms 该IGBT 芯片持续降低。Bayerer 博士，Lutz教授在CIPS 2008年的论文中给出了结温变化、开通时间等因素对于IGBT 寿命影响的数学模型。基于上述理论以及实验求解，英飞凌给出了开通时间影响的参考曲线，如下图所示。从图中可以看出，开通时间短，器件的功率循环次数变长。究其原因主要是由于在秒级循环测试中绑定线的失效主要以材料的塑性变形为主，而在几十毫秒的循环测试中绑定线的失效模式由塑性变形向弹性变形过度，因而寿命变长。

通过以上学习，我们可以得到以下结论：

1.IGBT芯片存在由于温度波动引起的可靠性问题。

2.功率循环测试有四种不同的测试方法，对于同一个被测对象，测试结果有很大差异。其中恒定导通和关断时间的测试方法，其测试条件最为苛刻，因而测试的循环次数也最短，带有补偿的其余三种测试方法，其测试循环次数会变长。

3.需要考虑开通时间对于IGBT功率循环的影响，厂家给出的数据一般都是秒级的，需要依据实际开通时间做折算。

4.IGBT厂家给出的功率循环曲线是基于一定样本数量的概率统计结果。如果只是测试少量几个样品，得到的结论往往是不够全面的。