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絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）主要應用于逆變器、變頻器、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply, UPS）、電源、風力發(fā)電設備等工業(yè)控制領域。近年來，隨著高鐵、電動汽車、風力發(fā)電機等電力設備的迅速發(fā)展，高功率密度及大量的電子集成技術對其可靠性都提出了更高的要求。

光伏發(fā)電是未來發(fā)展中最有潛力的可再生能源，而IGBT是光伏系統(tǒng)中主要的功率半導體器件，因此其可靠性對光伏系統(tǒng)有重要影響。IGBT模塊的熱特性是模塊的重要特性之一，模塊在退化過程中，熱性能變化對于半導體模塊的整體性能有著重要的影響。

河北工業(yè)大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室的研究人員，針對現(xiàn)階段仍存在的問題，對于不同功率循環(huán)下的IGBT的熱退化特性進行了研究。設計了動態(tài)實驗，對不同的工作模式下IGBT模塊的退化進行了研究，并得到了不同狀態(tài)下模塊的退化特性。

圖1 IGBT的傳熱結構

圖2 模塊及老化設備

研究人員在不同工作條件下的IGBT模塊進行老化實驗時，在相同的老化時間下觀察模塊的熱阻變化情況，通過對熱網絡模型和結構函數分析進行模塊內部結構的缺陷辨識和失效機理分析，并利用仿真的方式對于不同邊界條件的動態(tài)熱傳導過程進行有限元仿真，更直觀地觀察到模塊的熱傳導的過程，同時驗證了實驗方法的準確性。

他們發(fā)現(xiàn)在溫度波動較大的情況下，IGBT模塊的致命損傷往往發(fā)生在各層連接處，由于各層材料的熱膨脹系數的差別，使得焊料層分層嚴重，導致熱阻增加，進一步引起熱量的大量累積，鍵合引線的損傷嚴重。而開關頻率增加以后，模塊的熱阻變化速度要遠遠低于溫度循環(huán)，雖然模塊的開關頻率較溫度循環(huán)增加了近百倍，但是模塊的壽命并沒有減少，說明開關頻率對于IGBT模塊芯片的沖擊造成的影響要遠遠小于溫度對于模塊壽命的影響。

在后續(xù)的工作中，可以在實際工作過程中通過測量模塊的殼溫及功率，得到實時工作過程中的結溫變化，并將鍵合引線的損傷作為總體損傷的一部分及時反饋到系統(tǒng)中，從而增加IGBT模塊的壽命預測精度。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“不同工作模式下的IGBT模塊瞬態(tài)熱特性退化分析”，作者為劉向向、李志剛、姚芳。