Yumie Kitajima*, Kenji Hatori*, Shinichi Iura*,
Keiichi Nakamura*, Yasutaka Kusakabe*, Kazuhiro Kurachi*,
Wiesner Eugen**, Eckhard Thal**
[*
三菱电机功率器件制作所；
**
三菱电机（欧洲）有限公司
]
本文介绍了高压IGBT模块在湿度影响下的寿命预估模型。此模型涉及的湿度加速因子是从温湿偏置试验中提取的；高压IGBT的温湿偏置试验在不同的湿度和不同的电压下进行测试，目的是为了找出湿度和电压对高压IGBT寿命的影响。最终，我们把湿度和电压对高压IGBT寿命的影响以及温度因数都集成到寿命预估模型中。通过试验，我们同时发现湿度对高压IGBT模块的寿命有很大影响。
在一些电力电子应用场合，不仅需要高压
IGBT
模块有优异的性能，还需要具有相当高的可靠性；为了满足实际需求，希望高压
IGBT
模块的寿命能达到
30
年，所以，高压
IGBT
模块的寿命预估非常重要。以前，尽管我们都知道湿度会对高压
IGBT
模块的寿命产生很大影响，但是没有一个准确的寿命预估模型把湿度因素考虑进来。三菱电机持续研究湿度对高压
IGBT
模块可靠性的影响，从而得到新的高压
IGBT
模块的寿命预估模型，通过这个模型来预估高压
IGBT
的寿命。同时，三菱电机通过采用
SCC(Surface Charge Control)
技术开发了新一代高压
IGBT
模块，具有抵御高湿度的能力。
三菱电机对湿度引起的失效模式进行了研究。高湿引起高压
IGBT
模块的失效机理详见
PCIM 2015
论文
[2]
。
一般来说，击穿电压会随着
IGBT
芯片边缘电荷量
Q
SS
的增加而降低。图
1
为
6.5kV
高压
IGBT
芯片的击穿电压随着
Q
SS
变化的曲线图。高湿度工况下的失效机理如下所述。
当给集电极和发射极之间施加电压，高压
IGBT
内部的凝胶会被电极化，芯片的边缘会累积电荷
Q
SS
，同时，凝胶中的湿气会加速电荷的集聚，此时，其击穿电压在高湿环境下会下降。所以湿度和电压会加速
IGBT
模块的退化，同时温度也会加速
IGBT
模块的退化。
三菱电机通过采用新的
IGBT
芯片边缘技术
SCC
（
Surface Charge Control
）提高了高压
IGBT
模块在抵御高湿度方面的鲁棒性。
为了抑制
IGBT
芯片边缘电荷集聚，
SCC
技术采用了优化的半绝缘性材料替代传统的绝缘材料，这个半绝缘性层为集聚的载流子提供了通路，如图
3
所示，在高湿工况下，产生的载流子会通过半绝缘层传递出去，避免了电荷的大量集聚。
C. Zorn
介绍了考虑湿度、温度和电压的加速模型
[1]
。
公式中，α
f
为测试的加速因子，也就是加速（后缀为
a
）测试条件下
MTTF
（
Mean Time To Failures
，平均无故障时间）与参考（后缀为
u
）测试条件下
MTTF
之比。
E
A
是活化能，在
0.79eV
和
0.95eV
之间，
k
为
玻尔兹曼常数。指数
x
为相对湿度的影响，指数
y
为电压的影响，都是经验数据，但是必须通过实际评估来确认。我们把此加速模型扩展到寿命预估模型中。
湿度的寿命模型为：
湿度加速因子：
温度加速因子：
电压加速因子：
其中：
LT
b
:
在参考条件下的基本寿命；
RH[%]:
用于寿命计算的外界环境相对湿度；
T[
℃
]:
用于寿命计算的外界环境温度；
V[V]:
用于寿命计算的电压；
参考条件下的相对湿度为：
RH
u
=75%
。
参考条件下的环境温度为：
T
u
=25
℃。
参考条件下的电压为：
V
u
=1500V
。
相对湿度的经验影响因子为
x
。
电压的经验影响因子为
y
。
活化能
E
A
=0.79eV
。
玻尔兹曼常数
k=8.62
×
10
-5
eV/K
。
LT
是考虑湿度、温度和电压的预估
寿命，公式中的参数，
LT
b
是参考条件下的基本寿命，与每个高压
IGBT
模块的结构相关，湿度加速因子π
H
，温度加速因子π
T
，电压加速因子π
V
，其它的参数来自加速模型。在此寿命估算模型中，活化能
E
A
定义为最小值
0.79eV
。同时，参考条件，
RH
u
=75%
和
T
u
=25
℃是东京
8
月份的平均环境条件。除此之外，
V
u
=1500V
为直流网压。
3.3kV
高压
IGBT
的温湿反偏试验是在以下三个条件下测试：测试条件
A
（
Ta=85
℃，相对湿度
=85%
，
V
CE
=2800V
），测试条件
B
（
Ta=85
℃，相对湿度
=95%
，
V
CE
=2800V
），测试条件
C
（
Ta=85
℃，相对湿度
=95%
，
V
CE
=2000V
），测试结果如图
4
，图
5
和图
6
所示。
根据失效机理，湿度引起的失效应该在芯片的边缘区域。试验过程中发生的失效点，同样在芯片的边缘，如图
7
所示。
如图
4
所示，在测试条件
A
的平均寿命为
3023
个小时。同样，如图
5
所示，在测试条件
B
的平均寿命为
309
个小时。所以，从相对湿度
85%
到相对湿度
95%
，加速因子α
f_A-B
通过计算为
3023/309=9.78
。相对湿度的经验影响因子
x
通过下式计算：
这里
RH
a_testB
=95%, RH
a_testA
=85%,
所以上式的计算结果
x=20.5
。
如图
5
所示，在测试条件
B
的平均寿命为
309
个小时。同样，如图
6
所示，在测试条件
C
的平均寿命为
490
个小时。所以，从电压
2000V
到电压
2800V
，加速因子α
f_C-B
通过计算为
490/309=1.59
。电压的经验影响因子
y
通过下式计算：
这里
V
a_testB
=2800V, V
a_testC
=2000V,,
所以上式的计算结果
y=1.37
。
这里，参考条件定义为
RH
u
=75%
，
T
u
=25
℃和
V
u
=1500V
。通过公式（
1
），可以得到测试条件
A
中的加速因子α
f_A
为
5.31k
，测试条件
B
中的加速因子α
f_B
为
52.0k
，测试条件
C
中的加速因子α
f_B
为
32.8k
。综合这些加速因子，温湿反偏试验测试
A
、测试
B
和测试
C
转换为如表
1
、表
2
和表
3
所示的参考条件。
以上失效点集成为图
8
所示的威布尔曲线图，从图中可以得到，在参考条件下
F(t)=10%
的寿命为
1210
年。同时，在此威布尔分析中，排除了最大点和最小点。所以，在参考条件下，
3.3kV IGBT
的寿命
LT
b
=1210
年。
所有参数通过温湿反偏试验
A
、试验
B
和试验
C
得到确认。所以新的寿命预估模型如下：
湿度加速因子：
温度加速因子：
电压加速因子：
LT
b
=1210
年，
T
u
=25
℃，
V
u
=1500V
，
x=20.5
，
y=1.37
，
E
A
=0.79eV
，
k=8.62
×
10
-5
eV/K
新的寿命预估模型仅考虑了湿度引起的失效，但是在实际运行时必须考虑除了湿度以外其它因素引起的失效。
通过以上寿命预估模型，可以预估
3.3kV IGBT
在不同工况下的寿命。图
9
展示了寿命预估结果，包含了在直流
1500V
下
1
年、
30
年和
1000
年的温度湿度矫正曲线。通过这些曲线，我们可以看到
3.3kV IGBT
有足够强的抵御湿度能力。
从上图可以看出，相对湿度增加
11%
或者温度增加
40
℃，都会造成寿命从
1000
年减为
30
年，所以，相对来说，相对湿度的影响比温度影响更大。一般来说，当变流器内部升温时，绝对湿度会保持不变。如果环境条件从温度
38.9
℃、相对湿度
83.0%
变为温度
42.6
℃、相对湿度
68.8%
，但是绝对湿度值保持
40g/m
3
，寿命会从
30
年增加到
1000
年。所以，预加热是一种非常有效的抑制湿度失效的方法。
当然，
1000
年的计算值仅仅是考虑湿度情况下的寿命，如果考虑上其它因素，比如温度循环寿命等，
IGBT
模块实际寿命在实际中并没有这么长。
同时，以上寿命预估模型是基于温湿反偏试验，所以没有考虑温度快速变化的情况。特别当快速冷却会造成凝露，比高湿工况更加严酷。在实际工况中，这种温度快速变化的工况也应该考虑。为了防止凝露，同样的，预加热是一种有效的手段。
本文介绍了考虑湿度影响的寿命预估模型。通过这个模型，得到了
1500V
情况下的
1
年、
30
年和
1000
年的温度湿度矫正曲线，并且确认了
3.3kV IGBT
模块具有足够的抑制湿度失效的能力。
同时，本文确定了高湿会对高压
IGBT
模块的寿命产生很大的影响，所以如果变流器在高湿工况下时，必须考虑湿度带来的影响。预加热是一种非常有效的抑制湿度失效的方法。
[1]Christian Zorn, Nando Kaminski, “Acceleration of Temperature Humidity Bias(THB) Testing on IGBT Modules by High Bias Levels,” 2015 IEEE
[2]N. Tanaka, et al., “Robust HVIGBT Modules Design against High Humidity,” PCIM Europe2015
[3]Shigeto Honda, Tatsuo Harada, Akito Nishii, Ze Chen, Kazuhiro Shimizu, “HighVoltage Device Edge Termination for Wide Temperature Range plus Humidity withSurface Charge Control (SCC) Technology,” ISPSD 2016.
出自：
电力电子网
