功率循環(huán) VS.循環(huán)功率

針對(duì)應(yīng)用于2 MW范圍的電力電子系統(tǒng)，當(dāng)下關(guān)注的焦點(diǎn)是采用何種技術(shù)以及具有多久的生命周期。
常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體模塊有兩種，一種是傳統(tǒng)的焊接鍵結(jié)型功率半導(dǎo)體模塊，另一種是具有相同額定功率的壓接型功率半導(dǎo)體模塊，如圖一、圖二所示。

 

圖一 : 焊接鍵結(jié)型功率半導(dǎo)體


 
圖二 : 壓接型IGBT

預(yù)期使用壽命主要由功率循環(huán)（PC）進(jìn)行驗(yàn)證。半導(dǎo)體中的電流變化會(huì)導(dǎo)致組裝和連接產(chǎn)生溫度偏差。上電最初幾秒鐘內(nèi)的熱波動(dòng)使得鍵合線因熱膨脹而產(chǎn)生微小移動(dòng)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致諸如鍵合線脫落或在鍵合點(diǎn)斷裂的缺陷。
如果脈沖持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)中各部件會(huì)發(fā)熱，由于每一層的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生。長(zhǎng)期來(lái)看，機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍵結(jié)層的分解和分層。最終，接觸熱阻增加，裝置因發(fā)熱而失效。
壓接型結(jié)構(gòu)無(wú)需鍵合線，且不存在大面積焊線，因此，與焊接型結(jié)構(gòu)相比，壓接型IGBT理應(yīng)能允許更多次的功率循環(huán)。
然而，圖三和圖四中相應(yīng)曲線的比較最初似乎反駁了這一點(diǎn)。


 
圖三 : PC曲線，壓接型組件

 
圖四 : PC曲線，焊接鍵結(jié)型組件

觀察圖表中80 K溫度波動(dòng)下的循環(huán)次數(shù)，壓接型組件是30,000次循環(huán)而焊接鍵結(jié)型模塊是200,000次循環(huán)，為壓接型組件的六倍之多。

壓接型裝置真的過(guò)早失效嗎？
經(jīng)驗(yàn)表明，這種情況不會(huì)發(fā)生。有些配備了壓接型閘流管的系統(tǒng)運(yùn)作幾十年并未發(fā)生失效，但是圖表曲線為什么沒(méi)有反映這一點(diǎn)呢？
乍一看確實(shí)沒(méi)有，但若深入研究就會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)試邊界條件不同。
焊接鍵結(jié)型模塊的功率循環(huán)是透過(guò)施加1.5 秒持續(xù)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。通電后焊接線產(chǎn)生的較小熱量使得芯片達(dá)到所需溫度，斷電后1.5 秒內(nèi)再次冷卻回到初始溫度，因此一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為3 秒。
壓接型裝置的熱容量由與其接觸的固體金屬板決定，這些銅盤(pán)通常重達(dá)幾百克，幾乎不會(huì)在幾秒鐘內(nèi)產(chǎn)生溫升。將裝置加熱到所需溫度的典型循環(huán)周期是導(dǎo)通3分鐘，冷卻2分鐘，整個(gè)周期持續(xù)5分鐘。
因此，使用焊接鍵結(jié)技術(shù)在80 K波動(dòng)下進(jìn)行100,000次循環(huán)操作需耗時(shí)300,000秒，相當(dāng)于83小時(shí)或三天多一點(diǎn)的時(shí)間。相較之下，壓接型組件每5分鐘一個(gè)周期，共100,000個(gè)周期的循環(huán)測(cè)試，需要耗時(shí)347天。
另一值得注意的是：壓接型器件的曲線顯示“測(cè)試通過(guò)”是一項(xiàng)例行測(cè)試，可確保器件滿(mǎn)足最低要求但并不意味著產(chǎn)品已達(dá)到壽命時(shí)間，100%的壓接型器件都需要達(dá)到這個(gè)結(jié)果。
相較之下，焊接鍵合模塊的PC曲線顯示“測(cè)試失敗”，則表示在此循環(huán)次數(shù)下裝置已達(dá)到了使用壽命。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這種情況下的測(cè)試結(jié)果僅限于95%的測(cè)試部件。 100%的測(cè)試曲線通常比壽命結(jié)束時(shí)的曲線低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
因此，壓接型器件的PC曲線是極其保守的表述。

為什么制造商不為壓接型器件提供「測(cè)試失敗」曲線呢？
經(jīng)驗(yàn)表明，壓接型器件幾乎不受功率循環(huán)的影響，并且不會(huì)由于施加負(fù)載而現(xiàn)場(chǎng)失效。因此，「通過(guò)測(cè)試」曲線肯定比「失敗測(cè)試」曲線低至少2個(gè)數(shù)量級(jí)。
即使在160 K的溫度波動(dòng)下壓接型器件不是承受2000次的循環(huán)測(cè)試，而是高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于200,000次循環(huán)，這將使得測(cè)試持續(xù)時(shí)間為100萬(wàn)分鐘，約近700天。由于繪制曲線需要至少兩個(gè)或三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，因此需要在60 K和100 K的溫度波動(dòng)下進(jìn)行額外的測(cè)試。
對(duì)于60 K的溫度波動(dòng)，曲線上顯示需要100,000次循環(huán)，那么再多一個(gè)數(shù)量級(jí)就意味著100萬(wàn)次循環(huán)、500萬(wàn)分鐘或近10年的測(cè)試周期。
此外，這些測(cè)試中每個(gè)子單元至少需要1.5 kW的功率，一個(gè)裝置則需要相當(dāng)于不低于30 kW的測(cè)試功率。測(cè)試在高溫下進(jìn)行，目標(biāo)是透過(guò)加速手段達(dá)到實(shí)際的壽命時(shí)間，但這反應(yīng)出另一個(gè)困難。測(cè)試中的失效并沒(méi)有影響壓接型裝置，在測(cè)試裝置出現(xiàn)任何損壞之前，測(cè)試裝置本身就因電源循環(huán)而失效。

這對(duì)設(shè)計(jì)意味著什么？
電力電子學(xué)中，功率循環(huán)主要與焊接鍵結(jié)的失效有關(guān)，但是壓接型封裝結(jié)構(gòu)不存在此失效機(jī)制。此外，壓接型組件的大熱容意味著半導(dǎo)體的升溫速度要慢得多，雙面冷卻也減少了相同功率的溫度波動(dòng)。
綜合來(lái)看，緩解效應(yīng)意味著經(jīng)典的「功率循環(huán)」失效機(jī)制不會(huì)對(duì)壓接型組件的壽命產(chǎn)生影響，這也是設(shè)計(jì)應(yīng)用于鐵路、船舶推進(jìn)系統(tǒng)和電解工廠的原因之一。這些應(yīng)用中，20年內(nèi)的使用壽命預(yù)計(jì)可達(dá)160,000小時(shí)。