Modulul IGBT (Transistor Bipolar Gate Insulat) este o componentă crucială în electronica modernă de energie electrică, utilizată pe scară largă în diferite aplicații, cum ar fi unități industriale, sisteme de energie regenerabilă și vehicule electrice. Ca furnizor de module IGBT, înțelegerea mecanismului de îmbătrânire a acestor module este de cea mai mare importanță. Această cunoaștere nu numai că ne ajută să oferim produse mai bune clienților noștri, dar ne permite și să oferim sfaturi tehnice și de întreținere mai eficiente.
Structura fizică și principiul de bază de lucru al modulelor IGBT
Înainte de a se aprofunda în mecanismul de îmbătrânire, este necesar să înțelegem structura fizică și principiul de bază de lucru al modulelor IGBT. Un modul IGBT constă de obicei din mai multe cipuri IGBT, diode libere - roți și o structură de ambalare. CIP IGBT combină avantajele MOSFET -urilor (metal - oxid - câmpuri de efecte semiconductoare) și tranzistoare de joncțiune bipolară (BJTS). Are o stare de conducere cu rezistență scăzută, precum un BJT și o poartă controlată de tensiune ca un MOSFET.
Când se aplică o tensiune pozitivă pe poarta IGBT, creează un strat de inversare în regiunea de tip p sub oxidul de poartă, permițând electronilor să curgă de la emițătorul N+ la regiunea N - derivă. În același timp, găurile sunt injectate din colectorul P+ în regiunea N - derivă, ceea ce reduce semnificativ rezistența regiunii de derivă și permite IGBT să conducă un curent mare. Când tensiunea porții este eliminată, stratul de inversare dispare, iar IGBT se oprește.
Factori care afectează îmbătrânirea modulelor IGBT
Stresul termic
Unul dintre cei mai importanți factori care contribuie la îmbătrânirea modulelor IGBT este stresul termic. În timpul funcționării, jetoanele IGBT generează căldură din cauza pierderilor de energie, inclusiv pierderile de conducere și pierderile de comutare. Performanța de disipare a căldurii a modulului este limitată de materialele de ambalare și de sistemul de răcire.
Ciclismul termic repetat determină extinderea și contractarea diferitelor materiale din modul, din cauza coeficienților lor diferiți de expansiune termică (CTE). De exemplu, cipul de siliciu are un CTE relativ scăzut, în timp ce substratul de cupru are un CTE mai mare. Această nepotrivire a CTE duce la stres mecanic la interfețele dintre diferite materiale, cum ar fi firele de obligațiuni, îmbinările de lipit și interfața cip - substrat.
De -a lungul timpului, aceste tensiuni mecanice pot provoca fisuri de oboseală în îmbinările de lipit și firele de obligațiuni. Fisurile din îmbinările de lipit cresc rezistența termică între cip și substrat, ceea ce agravează și mai mult creșterea temperaturii cipului. Fisurile din firele de obligațiuni pot crește rezistența electrică, ceea ce duce la pierderi mai mari de energie și o creștere suplimentară a temperaturii. În cele din urmă, aceste fisuri pot provoca defecțiuni deschise - circuitului, ceea ce face ca modulul să fie nefuncțional.
Stres electric
Stresul electric joacă, de asemenea, un rol crucial în îmbătrânirea modulelor IGBT. Vârfurile de tensiune ridicată în timpul operațiunilor de comutare pot provoca descompunerea dielectrică a oxidului de poartă. Oxidul de poartă este un strat subțire de material izolant care separă electrodul de poartă de canalul semiconductorului. Dacă tensiunea de -a lungul oxidului de poartă depășește tensiunea de descompunere, aceasta poate provoca deteriorare permanentă la oxidul de poartă, ceea ce duce la o modificare a tensiunii pragului IGBT și poate provoca defectuos dispozitivul.
În plus, creșterea ridicată a curentului pot provoca încălzirea cipurilor IGBT și a firelor de obligațiuni. Curentul excesiv poate duce la topirea firelor de legătură sau chiar la fuga termică a jetoanelor, rezultând eșecuri catastrofale.
Factorii de mediu
Factorii de mediu, cum ar fi umiditatea, temperatura și contaminarea, pot accelera, de asemenea, îmbătrânirea modulelor IGBT. Umiditatea ridicată poate provoca coroziunea pieselor metalice din modul, cum ar fi firele de legătură și cablurile. Coroziunea slăbește rezistența mecanică a acestor componente și le crește rezistența electrică, ceea ce poate duce la defecțiuni premature.
Temperaturile extreme, atât ridicate, cât și scăzute, pot avea, de asemenea, un impact negativ asupra performanței modulelor IGBT. La temperaturi scăzute, proprietățile electrice ale materialelor semiconductoare se pot schimba, afectând caracteristicile de comutare ale IGBT. La temperaturi ridicate, reacțiile chimice din modul sunt accelerate, ceea ce poate provoca degradarea materialelor de ambalare și a cipurilor de semiconductor.
Contaminarea, cum ar fi praful, murdăria și substanțele chimice, se poate acumula pe suprafața modulului. Această contaminare poate acționa ca un izolator termic, reducând eficiența de disipare a căldurii a modulului. De asemenea, poate provoca scurgeri electrice între diferite componente, ceea ce duce la defecțiuni electrice.
Fenomene de îmbătrânire și moduri de eșec
Ridicarea sârmei de legături - OFF
După cum am menționat anterior, tensiunea termică poate provoca fisuri de oboseală în firele de obligațiuni. De -a lungul timpului, aceste fisuri se pot propaga până când firele de obligațiuni se ridică de pe cip sau substrat. Ridicarea sârmei de obligațiuni - OFF are ca rezultat o condiție de circuit deschis, împiedicând curgerea curentului prin IGBT și, astfel, determinând eșecul modulului.
Fisurarea articulației de lipit
Îmbinările de lipit sunt utilizate pentru a conecta jetoanele IGBT la substrat și substratul la radiator. Ciclismul termic repetat face ca îmbinările de lipit să experimenteze stres mecanic, ceea ce poate duce la formarea fisurilor. Crăpăturile din îmbinările de lipit măresc rezistența termică între cip și chiuveta de căldură, ceea ce face ca temperatura cipului să crească. Pe măsură ce temperatura crește, procesul de degradare accelerează și, în cele din urmă, îmbinarea de lipit poate eșua complet, ceea ce duce la pierderea conexiunii electrice și termice.
Degradarea oxidului de poartă
Degradarea oxidului de poartă este cauzată în principal de stresul electric. Vârfurile de tensiune ridicate pot provoca defecte în stratul de oxid de poartă, ceea ce poate modifica proprietățile electrice ale IGBT. De exemplu, tensiunea de prag a IGBT poate crește, ceea ce înseamnă că este necesară o tensiune mai mare a porții pentru a porni dispozitivul. În cazuri severe, oxidul de poartă se poate descompune complet, rezultând un circuit scurt între poartă și ceilalți electrozi.
Detectarea și monitorizarea îmbătrânirii modulului IGBT
Pentru a asigura funcționarea fiabilă a modulelor IGBT, este necesar să se detecteze și să monitorizeze starea lor de îmbătrânire. Există mai multe metode disponibile în acest scop.
Monitorizarea temperaturii
Monitorizarea temperaturii jetoanelor IGBT este o modalitate eficientă de a detecta semnele timpurii ale îmbătrânirii. O creștere a temperaturii cipului poate indica o creștere a rezistenței termice din cauza fisurilor de îmbinare a îmbinării sau a ridicatului de sârmă de legătură. Senzorii de temperatură pot fi așezați în apropierea jetoanelor sau pe substrat pentru a măsura temperatura.
Monitorizarea parametrilor electrici
Monitorizarea parametrilor electrici, cum ar fi colectorul - tensiunea emițătorului, tensiunea de poartă - sursă și curentul pot oferi, de asemenea, informații despre starea de îmbătrânire a modulului IGBT. De exemplu, o creștere a tensiunii colectorului - emițătorului în timpul conductării poate indica o creștere a rezistenței de stare ON, care ar putea fi cauzată de ridicarea sârmei de legătură - OFF sau degradarea articulației de lipit.
Detectarea emisiilor acustice
Detectarea emisiilor acustice este o metodă de testare non -distructivă care poate detecta formarea și propagarea fisurilor din modulul IGBT. Când o fisură se formează sau se propagă, generează unde acustice care pot fi detectate de senzori acustici. Această metodă poate detecta fisurile în stadiu timpuriu înainte de a provoca daune semnificative ale modulului.
Strategii de atenuare pentru îmbătrânirea modulului IGBT
Managementul termic îmbunătățit
Pentru a reduce stresul termic, este esențial să îmbunătățiți gestionarea termică a modulelor IGBT. Acest lucru poate fi obținut folosind sisteme de răcire cu performanță ridicată, cum ar fi chiuvete de căldură răcite sau conducte de căldură. În plus, selectarea materialelor de ambalare cu o conductivitate termică mai bună și o potrivire mai atentă în CTE poate ajuta, de asemenea, la reducerea rezistenței termice și a tensiunii mecanice.
Proiectare electrică optimizată
Optimizarea proiectării electrice poate reduce tensiunea electrică pe modulele IGBT. De exemplu, utilizarea circuitelor Snubber poate suprima vârfurile de înaltă tensiune în timpul operațiunilor de comutare, protejând oxidul de poartă de la defecțiune. Dimensiunea corectă a modulelor IGBT și a sursei de alimentare poate preveni, de asemenea, creșteri mari curente.
Protecția mediului
Protejarea modulelor IGBT de factorii de mediu este, de asemenea, importantă. Utilizarea ambalajului sigilat poate împiedica umiditatea și contaminarea să intre în modul. În plus, funcționarea modulelor în intervalul de temperatură specificat poate ajuta la încetinirea procesului de îmbătrânire.
Concluzie
În calitate de furnizor de module IGBT, înțelegerea mecanismului de îmbătrânire a acestor module este esențială pentru furnizarea de produse de înaltă calitate și asistență tehnică fiabilă. Îmbătrânirea modulelor IGBT este cauzată în principal de stresul termic, stresul electric și factorii de mediu. Acești factori pot duce la diverse fenomene de îmbătrânire și moduri de eșec, cum ar fi ridicarea sârmei de legături, oprire, fisurarea îmbinării de lipit și degradarea oxidului de poartă.
Prin implementarea metodelor eficiente de detectare și monitorizare și strategii de atenuare, putem extinde durata de viață a modulelor IGBT și le putem îmbunătăți fiabilitatea. Dacă sunteți interesat de modulele noastre IGBT sau aveți nevoie de mai multe informații despre mecanismul și fiabilitatea lor de îmbătrânire, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați pentru discuții suplimentare și negocieri de achiziții. De asemenea, oferim o serie de accesorii pentru alimentarea cu inducție, cum ar fiCondensator de încălzire a inducției,Consiliul de evaluare pentru modulul IGBT, șiTransformator pentru cuptor cu frecvență intermediară.
Referințe
- Blaabjerg, F., Chen, Z., & Ma, K. (2006). Electronica de putere ca interfață eficientă în sistemele de generare a energiei dispersate. Tranzacții IEEE pentru electronice de putere, 21 (5), 1395 - 1409.
- Hefner, AR, & Blackburn, JL (1995). Modelarea și simularea tranzistoarelor bipolare ale porții izolate. Proceedings of the IEEE, 83 (4), 540 - 557.
- Liang, X., Wang, X., & Blaabjerg, F. (2017). O revizuire a fiabilității ciclului de putere a modulelor IGBT în aplicațiile eoliene. Recenzii regenerabile și durabile ale energiei, 75, 1036 - 1047.