Igbt模块键合线断裂在线监测装置、监测方法和应用
阅读说明：本技术 Igbt模块键合线断裂在线监测装置、监测方法和应用 (IGBT module bonding wire breakage online monitoring device, monitoring method and application ) 是由 齐磊 张午宇 杜璐春 崔翔 张翔宇 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：IGBT模块键合线断裂在线监测装置、监测方法和应用,测量半桥结构中,动作器件关断过程中互补器件的门极电压,通过和预先设置好的阈值比较得出IGBT模块键合线的断裂情况,包括如下步骤：步骤一：研制IGBT模块键合线断裂的在线监测装置,并与处于半桥电路中的IGBT模块相连；步骤二：建立IGBT模块健康状态时V-(GE)随负载电流变化的基准值；步骤三：建立键合线断裂后IGBT模块V-(GE)随负载电流变化的失效阈值；步骤四：启动IGBT模块在线监测装置,按照预定流程工作；步骤五：得出IGBT模块运行状态。(The IGBT module bonding wire breakage on-line monitoring device, the monitoring method and the application measure the gate voltage of a complementary device in the turn-off process of an action device in a half-bridge structure, and the breakage condition of the IGBT module bonding wire is obtained by comparing the gate voltage with a preset threshold value, and the method comprises the following steps: the method comprises the following steps: an online monitoring device for breakage of a bonding wire of an IGBT module is developed and connected with the IGBT module in a half-bridge circuit; step two: when establishing the health state of the IGBT module V GE A reference value that varies with the load current; step three: IGBT module after bonding wire breakage V GE A failure threshold that varies with load current; step four: starting the IGBT module online monitoring device, and working according to a preset flow; step five: and obtaining the running state of the IGBT module.)
技术领域
本发明属于半导体器件技术测量领域，具体涉及一种适用于IGBT模块键合线断裂的监测装置、方法和应用。
背景技术
电力电子变换器在电动汽车、风力发电、直流输电等工业界得到了广泛的应用。电力电子变换器长期运行过程中，在故障发生之前识别性能退化的元件，是状态监测的主要目的，对电力电子器件进行状态监测是提升变换器可靠性的有效手段。绝缘栅双极晶体管(IGBT)由于结合了金属-氧化物场效应管的高开关速度以及双极结型晶体管的低导通损耗等特点得到了广泛地应用。在高压大功率的电力电子变换器的场合，例如风电变流器、牵引变流器、高压直流输电等，为提高通流能力，通常使用由多个IGBT、二极管芯片并联而成的多芯片并联IGBT模块。键合线断裂是IGBT模块的主要失效模式，对于多芯片并联的IGBT模块，由于芯片数量冗余并不会造成模块的失效。因此，键合线断裂引发的芯片失效成为多芯片并联IGBT模块状态监测的前兆失效特征。
在IGBT模块的键合线断裂状态监测方面已开展了较多研究，从监测量信号看来可分为电气量与非电气量。非电气量监测方法有热脉冲涡流成像、振动位移测量等，需要特殊的测量装置不合适在线监测应用。IGBT模块的键合线断裂会改变回路电阻、杂散电感以及电容分布等，利用电气量监测的本质是电路参数的辨识，即特征电气量的变化反应由键合线断裂引起的电路参数变化，电气量的激励源越大，相应地辨识精度越高。
现有技术，如中国专利申请，其申请号：CN2019104842800，公开号：CN110221189 A公开一种IGBT模块键合线在线状态监测的方法，包括如下步骤：步骤一：搭建全桥逆变器电路以及VCE在线测量电路，将VCE在线测量电路的两输入端接在全桥逆变器电路的IGBT功率模块的集电极和发射极，实现全桥逆变器电路与VCE在线测量电路的连接；步骤二：建立健康IGBT的三维数据模型；步骤三：建立键合线断裂的IGBT三维数据模型；步骤四：采用遗传算法优化最小二乘支持向量机；步骤五：利用优化后的最小二乘支持向量机对步骤二和步骤三得到的三维数据模型进行状态评估。
中国专利申请，其申请号：CN201910825141x，公开号：CN110632490 A公开一种IGBT模块状态监测装置及方法，该装置包括IGBT模块、栅极开通电压过冲监测模块、驱动电路、键合线状态判断模块和信号采集模块，通过将监测的实际栅极开通电压过冲与预先设定的参考栅极开通电压过冲阈值进行比较，得出键合线断裂的情况。
中国专利申请，其申请号：CN2020102863307，公开号：CN111398766 A公开一种IGBT模块健康状态在线监测方法及系统，根据并联IGBT模块中各IGBT模块的集电极电流值确定异常IGBT模块；提取各所述异常IGBT模块的集电极电流值，并与正常IGBT模块的集电极电流的测量值中的最大值进行比较，获得各所述异常IGBT模块的电流不平衡率；根据所述并联IGBT模块中各IGBT模块的外壳温度确定IGBT模块的异常类型；对于任一所述异常IGBT模块，将所述异常IGBT模块的电流不平衡率及其外壳温度带入到并联IGBT健康状态检测模型中，并根据所述异常IGBT模块的异常类型确定所述异常IGBT模块是否失效。
然而，上述文献所提方法未能利用集电极电压作为电路参数辨识的激励源，造成IGBT模块键合线断裂后监测相对变化量较小；此外上述文献监测方法监测量由于激励源较小，易受干扰，误报的可能性较大。键合线断裂的相对变化量较小、监测易受干扰、误报可能性较大成为现有方法的主要不足。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供如下技术方案以克服背景技术中的不足：
IGBT模块键合线断裂在线监测装置，包括负载电流测量单元、门极电压测量单元、集电极电压测量单元、集电极电压过零检测单元、数据处理单元以及健康状态预警单元；其特征为：负载电流测量单元和门极电压测量单元直接与数据处理单元相连，数据处理单元与健康状态预警单元相连；集电极电压测量单元与集电极电压过零检测单元相连，集电极电压过零检测单元与门极电压测量单元相连。
本发明还公开一种适用于IGBT模块键合线断裂的监测方法，其特征为：包括如下步骤：
步骤一：将IGBT模块键合线断裂在线监测装置与处于半桥电路中的IGBT模块相连；
步骤二：建立IGBT模块健康状态时V GE随负载电流变化的基准值；
步骤三：建立键合线断裂后IGBT模块V GE随负载电流变化的失效阈值；
步骤四：启动IGBT模块在线监测装置，按照预定流程工作；
步骤五：得出IGBT模块运行状态。
本发明还公开一种将上述适用于IGBT模块键合线断裂的监测方法应用于多芯片联焊接型Si MOSEFT模块或SiC MOSEFT模块的监测。
有益效果
本发明结合了从门极回路和功率回路监测的优势，功率回路的集电极电压作为电路参数辨识源，且相对变化量极高，不易受到干扰。从门极处监测信号易于集成到驱动板卡，该方法普遍适用于包含半桥结构电力电子变换器的在线监测以及单独IGBT模块离线监测。
附图说明
图1本发明IGBT模块键合线断裂在线监测装置结构及连接示意图。
图2a,图2b分别为本发明实例所用多芯片并联IGBT模块内部结构及等效电路
图3a,图3b分别为本发明双脉冲测试电路以及QT关断过程电压电流波形。
图4(a) 为 t2-t3阶段等效电路健康状态模块等效电路，图4(b)支路QB2健康状态下等效电路，图4(c) 支路QB2键合线断裂后等效电路。
图5（a）为本发明所建立的双脉冲实验平台IGBT模块结构部分，图5（b）双脉冲实验平台整体结构。
图6为本发明适用于IGBT模块键合线断裂的监测方法示意图。
图7为本发明IGBT模块键合线监测装置预定流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
IGBT模块键合线断裂在线监测装置，包括负载电流测量单元、门极电压测量单元、集电极电压测量单元、集电极电压过零检测单元、数据处理单元以及健康状态预警单元；其特征为：负载电流测量单元和门极电压测量单元直接与数据处理单元相连，数据处理单元与健康状态预警单元相连；集电极电压测量单元与集电极电压过零检测单元相连，集电极电压过零检测单元与门极电压测量单元相连。所述集电极电压测量单元测量得到的电压数据，经过集电极电压过零检测单元处理，检测到过零信号时启动门极电压测量单元。
适用于IGBT模块键合线断裂的监测方法流程图，参见附图7所示，该图利用集电极电压过零时刻门极电压V GE监测键合线断裂的流程图，具体步骤为：
步骤一：将IGBT模块键合线断裂在线监测装置与处于半桥电路中的IGBT模块相连；
步骤二：建立IGBT模块健康状态时V GE随负载电流变化的基准值；
步骤三：建立键合线断裂后IGBT模块V GE随负载电流变化的失效阈值；
步骤四：启动IGBT模块在线监测装置，按照预定流程工作；
步骤五：得出IGBT模块运行状态。
实施例1
步骤一：将IGBT模块键合线断裂在线监测装置与处于半桥电路中的IGBT模块相连；
IGBT模块键合线断裂在线监测装置包括负载电流测量单元、集电极电压测量单元、集电极电压过零检测单元、门极电压测量单元、数据处理单元以及健康状态预警单元，各单元连接方式以及与IGBT模块连接如图1所示。
负载电流测量单元实现对负载电流的测量，并将测量数据传输到数据处理单元；
集电极电压测量单元与集电极电压过零检测单元相连，具体实现功能为集电极电压测量单元测量得到的电压数据传输到集电极电压过零检测单元，经过集电极电压过零检测单元处理，检测到过零信号时启动门极电压测量单元。数据处理单元用于存储测量数据，判断是否器件处于负压关断状态，并且根据负载电流数据，计算此时的健康状态基准值以及失效阈值，对失效情况进行判断，进而启动健康状态预警单元。
步骤二：建立IGBT模块健康状态时V GE随负载电流变化的基准值；具体过程如下：
以商用1200V/450A的IGBT模块作为实例进行分析，图2给出了IGBT模块的内部结构及其等效电路。单个IGBT器件包括三只IGBT芯片并存在于各自的并联支路中，典型特征是IGBT芯片发射极、二极管阳极分别由键合线与铜基板相连，该结构被广泛应用在商用焊接型多芯片并联IGBT模块中。
搭建IGBT模块的半桥双脉冲测试电路，如图3(a)所示，上管IGBT器件处于正常关断状态，下管IGBT器件始终处于负压关断状态，负载电感并联在下管IGBT器件两端，监测装置并联于下管IGBT器件两端。图3(b)所示为IGBT器件关断过程中电压电流波形示意图，上管IGBT器件关断过程如t 1-t 6阶段所示，t2-t5过程下管IGBT器件集电极电压v CEB变化，在门极产生串扰电压v GEB。实线所示v GEB为IGBT模块健康状态时门极电压波形，虚线所示v GEB为键合线断裂后门极电压波形，本发明通过测量t 4时刻的门极电压V GE实现对IGBT模块键合线断裂的监测。
1、首先通过理论分析阐述V GE对IGBT模块键合线断裂监测的有效性：
在图3(b)的t 2-t 3关断过程，该阶段的等效电路如图4(a)所示，上管QT门极电压v GET钳位在米勒平台，米勒电容C GCT放电，QT集射极电压v CET逐渐上升，QT集射极电压v CEB电压同步下降，下管二极管DB受负压偏置未导通。QT集电极电流i C保持不变，功率回路寄生电感压降为0，有dv CEB/dt=-dv CET/dt。下管QB门极-集电极电容C GCB放电，其电流i GCB流经驱动电阻R GB(on)产生电压降，叠加在下管门级驱动电源电压V GB上使得v GEB产生瞬时负向电压过冲。该过程中负载电流流经电抗器，未流过下管IGBT器件。
以IGBT QB2支路为例，IGBT芯片失效前电容电流分布如图4(b)所示，C GCB2电容电流i GCB2由门极电流i G2和C GEB2放电电流组成，若忽略回路中杂散电感的作用，门极电压v GEB满足：
式中时间，该阶段集电极电压v CEB较大，C GCB2近似为源极-漏极的耗尽层电容，其值与C GCB2相比较小。t 2-t 3阶段v GEB持续减小，定义t 3时刻，即集电极电压过零时刻，门极电压v GE为：
若IGBT QB2发生全部的键合线断裂失效，造成门极-射极电容C GEB2从射极回路断开，如图4(c)所示，电容电流i GCB分布发生变化，i GCB2仅流经驱动电阻，时间常数减小，在相同时刻，门极电压v GEB较失效前减小，t 3时刻v GE相应减小。可见t 4时刻的门极电压V GE能够有效反应IGBT模块键合线的断裂。
2、建立IGBT模块健康状态时V GE随负载电流变化的基准值：
通过采用实验平台，如图5所示。负载电感L s并联在下桥器件两端，上桥器件Q T处于正常开通关断状态；下桥器件Q B始终处于关断状态，在上桥器件Q T关断时，二极管DB提供负载电流的续流路径。上、下桥模块由隔离电源为驱动电路供电。实验平台参数如表所示。改变负载电流I L为50A、75A、100A开展双脉冲实验，记录t4时刻的门极电压值，得到步骤二中IGBT模块健康状态时V GE随负载电流变化的基准值，为：
步骤三：建立键合线断裂后IGBT模块V GE随负载电流变化的失效阈值：
通过采用实验平台，如图5所示。实例中以剪断一只IGBT芯片发射极后IGBT模块V GE随负载电流变化的失效阈值为例阐述实施过程，剪断二只IGBT芯片发射极后失效阈值建立方法只需重复进行此过程。
剪断图1所示IGBT模块QB1芯片发射极键合线，模拟键合线断裂失效。改变负载电流I L为50A、75A、100A开展双脉冲实验，记录t4时刻的门极电压值，得到步骤三中键合线断裂后IGBT模块V GE随负载电流变化的失效阈值，为：
在负载电流为100A时，健康状态V GE为-10.82V,键合线断裂后V GE为-15.48V，相对变化量为43.07%。变化量显著，实验结果验证了本发明方法的有效性。
步骤四：启动IGBT模块在线监测装置，按照预定流程工作：
IGBT模块键合线断裂预定流程设置为：
Step1：初始化监测装置，相关监测量归零，启动数据处理单元，；
Step2：启动门极电压测量单元，监测IGBT器件是否处于负压关断状态，若为负压关断状态进行Step3，否则返回Step2；
Step3：关闭门极电压测量单元，启动负载电流测量单元，测量负载电流I L0
Step4：启动集电极电压测量单元，等待采样；
Step5：启动集电极电压过零监测单元，判断集电极电压是否到零，若到零，进行Step6；否则，返回Step4；
Step6：启动门极电压测量单元，对当前门极电压进行采样V GE_monitor，计算健康阈值以及失效判据，并判断V GE_monitor是否超过1.3V GE_baseline，若超过，进行Step7；否则，返回Step4；
Step7：启动健康状态预警单元，监测系统发出报警信号，提示键合线断裂情况超出阈值。
Step8：监测系统复位。
步骤五：得出IGBT模块运行状态。
根据步骤4中监测装置测量得到的门极电压V GE_monitor、负载电流I L0，与步骤2、步骤3建立的健康状态、键合线断裂情况时V GE随负载电流的变化关系，经过步骤1中的数据处理单元，即可获得IGBT模块的健康状态，判据为：
若V GE_monitor<1.3 V GE_baseline(I L0) , 则IGBT模块处于健康状态；
若1.3 V GE_baseline(I L0)<V GE_monitor<1.3 V GE_failure1(I L0) , 则IGBT模块有一只IGBT芯片发射极键合线全部断裂；
若1.3 V GE_failure1(I L0) <V GE_monitor<1.3 V GE_failure2(I L0) , 则IGBT模块有二只IGBT芯片发射极键合线全部断裂；
若V GE_monitor>1.3 V GE_failure2(I L0) , 则IGBT模块有三只及以上的IGBT芯片发射极键合线全部断裂。
本发明技术方案存在如下优点：
（1）所提方法可实现多芯片并联焊接型IGBT模块键合线断裂引起的芯片失效；同样也适用于多芯片并联焊接型Si MOSEFT模块、SiC MOSEFT模块等键合线断裂引起的芯片失效。
（2）监测方法适用于包含半桥结构的电力电子变换器中多芯片并联功率模块的在线监测应用，以及单独多芯片并联功率模块的离线监测应用；
（3）利用半桥结构动作器件关断过程时，互补器件集电极电压过零时刻的门极电压作为监测量。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而为脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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