【摘 要】
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绝缘栅双极型晶体管器件（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为复合全控型电压驱动式功率半导体器件,可以在电力系统中灵活的实现电能的转换、控制和传输,是柔性直流输电系统中换流阀和直流断路器中不可或缺的核心部件,提高器件的可靠性是未来的发展趋势。通过器件的功率循环试验可以建立寿命模型,用来预测实际工况下的寿命情况是非常重要的可靠性评估手段。经过一段时间的发展
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金（U1766219）； 中央高校基本科研业务费专项资金资助（2019MS001）；
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绝缘栅双极型晶体管器件（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为复合全控型电压驱动式功率半导体器件,可以在电力系统中灵活的实现电能的转换、控制和传输,是柔性直流输电系统中换流阀和直流断路器中不可或缺的核心部件,提高器件的可靠性是未来的发展趋势。通过器件的功率循环试验可以建立寿命模型,用来预测实际工况下的寿命情况是非常重要的可靠性评估手段。经过一段时间的发展,国内外学术界和工业界在功率循环试验方面做了大量的研究工作,提出了多种寿命预测公式,比如最常用的CIPS08公式,其中结温波动和结温最大值对键合线寿命的影响最大,但是在功率循环试验中往往需要同时调节负载电流大小和开通时间来达到相同的结温波动和结温最大值,导致了二者之间的耦合关系。为了进一步评估负载电流和开通时间这两个参数对键合线寿命的贡献,尤其是负载电流的影响机制,本文对650V/20A的T0封装IGBT器件在相同的结温波动和结温最大值但在不同的负载电流大小和开通时间的组合条件下进行了功率循环实验。结果表明不同的负载电流和开通时间组合对器件寿命有不可忽略的影响,更大的电流会显著降低IGBT器件中键合线的寿命。为了解释试验出现的现象并揭示作用机制,本文建立了T0封装IGBT器件的电-热-力多物理场有限元模型,对功率循环仿真的求解过程进行了优化。考虑了铝键合线和表面金属层的弹塑性特性,分析了负载电流对键合线应变应力大小的作用机理。同时引入了裂纹扩展模型对键合线的寿命进行了定性分析,使用金属疲劳寿命模型进行定量分析,得到的仿真寿命趋势与试验结果相吻合。本文研究可以为IGBT器件的精确模型建立和键合线疲劳寿命预测提供指导意义。
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