igbt模块铝键合线故障与门极杂散阻抗的关系研究

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1、分类号：TN322+.8密级：公开UDC：621.3编号：201421401050河北工业大学硕士学位论文IGBT模块铝键合线故障与门极杂散阻抗的关系研究论文作者：陈红纳学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：电气工程指导教师：李志刚职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金项目（NO.51377044）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofElectricalEngineeringSTUDYONTHERELATIONSHIPBETWEENBONDINGWIREFAILUREA

2、NDTHEGATESTRAYIMPEDANCEOFIGBTMODULEbyChenHongnaSupervisor:Prof.LiZhigangNovember2016ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.NO.51377044.摘要IGBT作为功率变流器的核心器件，在新能源发电等领域有着广泛的应用，同时，IGBT模块也出现了各种可靠性方面的问题，比如模块内部键合线故障。如何通过端部可测量的信号判断IGBT模块的运行状态是亟待解决的问题。本文围绕IGBT功率模块展开探讨，通过研究IGBT模块

3、正常时和键合线故障后门极电压的变化规律，进一步探讨了键合线故障与IGBT模块内部杂散参数的关系。本文的主要工作有以下几个方面：(1)研究总结了IGBT模块的失效机理及失效类型，其中键合线脱落是IGBT模块最普遍的失效类型之一。依据IGBT模块的封装结构、内部结构，以及其内部与芯片和连接导线相关的杂散参数，分析键合线脱落故障对IGBT模块内部电路和端部输出特性的影响。分析了键合线脱落过程中杂散参数与门极开通电压的变化趋势。(2)针对IGBT模块键合线脱落这一失效模式，对其应力理论进行了分析。建立了键合线在内的IGBT模块有限元模型，并进行了相关的热应力仿真分析，得到了键合线脱落

4、程度与模块温度分布和热应力分布的关系。探讨了随着键合线脱落根数的增加对IGBT模块寿命的影响，及对IGBT模块进行状态监测的必要性。(3)键合线脱落故障会影响模块端部特性，提出了用端部特性来表征模块故障的思路，即通过端部特性参数的变化来判断IGBT模块的故障状态。通过对比分析每个端部特性的特点，选门极开通电压作为表征键合线脱落故障的特征参数。设计并搭建测量电路，测量IGBT模块正常和键合线脱落过程中的门极开通电压，并得出键合线脱落过程中门极电压的变化规律。(4)故障初期人眼辨识存在局限性，从门极电压的波形判断IGBT模块的键合线状态有很大误差，故对获取的门极开通电压信号进行数

5、据处理，从中提取出区别于正常信号的特征。对VGE进行小波包分解提取各频段的能量，某个节点的能量在键合线脱落过程中表现出一定的规律。在此基础上，求取能谱熵得到正常和键合线脱落过程中门极开通电压的小波能谱熵值作为故障特征量。最后对确定键合线故障与门极杂散阻抗的关系的过程进行了总结。关键词：IGBT模块；热应力；门极电压；小波能谱熵IABSTRACTIGBTasthecoreofpowerconverterdevices,inthefieldofnewenergypowergenerationhasawiderangeofapplications,atthesametime,IGB

6、Tmodulealsoappearedinavarietyofreliabilityissues,suchasmoduleinternalbondingwirefailure.HowtojudgetherunningstatusofIGBTmodulebytheendmeasurablesignalisanurgentproblemtobesolved.Inthispaper,theIGBTpowermoduleisdiscussed,andtherelationshipbetweenthebondingwirefailureandthespuriousparameterso

7、ftheIGBTmoduleisdiscussedbystudyingthevariationofthegatevoltage.Themainworkofthispaperisasfollows:(1)ThefailuremechanismandfailuretypeofIGBTmodulearesummarizedinthispaper.OneofthemostcommonfailuremodesofIGBTmoduleisbondingwireshedding.Accordingtotheencap