1.1 课题的研究背景和意义

最近几年，世界正向经济全球化的趋势高速发展，而能源作为人类生存的根基 本要素，也得到了巨大的消耗。

煤炭、石油、天然气等常规能源的过度使用造成了 温室效应和环境污染等问题。人类社会的可持续发展战略要把建立资源节约型和环境友好型社会作为推进可持续发展的重要着力点。

所以，太阳能、风能、地热能等一系列新能源因其具有分布广泛、可再生、污染小等特征而得到国际社会的广泛关注。

经过多年来国内外学者的努力研究，新能源发电技术愈发成熟。新能源发电中，并网技术和储能技术是需要解决的技术难题，其中可靠性是最重要的指标。

资料显示，新能源发电的故障率远高于传统发电系统的故障率，这就表明新能源发 电整体的可靠性尚且存在很大的不足。

而在新能源发电系统中实现电能转换的电力电子变流装置作为发电系统的重要组成部分，它的可靠性举足轻重。

风能发电中风速和风向的不确定性以及光伏发电中热斑的影响，使得电力电子变流装置经常 工作在非平稳状态，从而加速老化。

所以，提高电力电子变流装置的可靠性成为新 能源并网发电中亟待解决的关键问题。

电力电子变流装置通常由多个电力电子变流器构成的级联、并联或者混联系统。其中，功率半导体器件作为变流器的核心部件。

提高其制造工艺水平以及保证其稳定运行对于拓展电力电子变流装置在可靠性要求更高领域的应用具有重要意义。

功率半导体器件沿着大功率化、集成化、高频化的方向发展1947年，美国的贝尔实验室发明了晶体管，为半导体 电子学的发展奠定了基础。

1957年，美国通用公司成功研制出连续工作电流为25A，阻断电压为300V的晶闸管，这成为电力电子技术发展的开端。

1970年代末，全控 型的功率器件发展地突飞猛进，这其中包括门极可关断晶闸管（GTO）、场效应晶 体管（MOSFET）以及双极型晶体管（BJT）。

1980年以后，绝缘栅双极型晶体管 （IGBT）逐渐成为现代电力电子技术的主要器件，因为它不仅拥有BJT的优点：

较大的载流能力、较小的导通压降且可以承受较大的电压，而且还综合了MOSFET 的优点：较小的驱动功率、较高的输入阻抗以及较快的开关速度。

上述所列的功率半导体器件主要分为可控的和不可控的两大类，其中可控型 功率半导体器件又包括半控和全控。

各种类型的二极管：普通二极管、快恢复二极管以及肖特基二极管等都属于不可控的器件。如果器件的导通可以由控制信号进行控制。

但是它的关断不能加以控制，这类属于半控型，其中包括晶闸管和大部 分的派生器件。反之，全控型器件的导通和关断都可以通过一个控制信号来进行控制。

主要包括门极可关断晶闸管、功率MOSFET、双极型晶体管以及IGBT。目前，IGBT已经广泛应用于智能电网、新能源发电和交通运输等重要领域，。

利用IGBT换流可以提高电能转换效率和质量。IGBT在未来将会扮演更重要的角 色，同时更严峻的工作条件对IGBT提出了更高的要求。

随着功率半导体器件制造 技术和封装工艺的不断提高，IGBT功率模块朝着高压、大功率、大电流、高可靠 性方向发展。

可靠性是衡量系统系统性能是否退化的关键参数，器件的材料属性和 制造封装的工艺一直限制其发展，IGBT的失效问题逐渐得到相关研究人员的重视。

所以研究IGBT的可靠性具有重要意义。IGBT功率模块中最常见的两种失效类型 为键合线脱落和焊料层疲劳，故对IGBT键合线和焊料层的失效研究可以提高模块的可靠性。

本文主要研究IGBT功率模块键合线的失效分析及其状态评估的方法，从而对 键合线的健康程度起到监测作用。

IGBT功率模块的失效过程是一个在电应力、热 应力共同作用下的一个渐进过程，会有很多参数可以用来表征该过程的进度。

这些参数受多种因素的干扰而影响对模块健康程度的评估，并且模块所处的复杂工况 的变化也会对结果产生影响。

为此，本课题考虑工况的变化建立三维数据模型反映 键合线健康程度的变化，引入最小二乘支持向量机实现对其进行状态评估。

1.2 国内外研究现状

随着IGBT功率模块的广泛应用，以及当前发展对于IGBT模块提出的更高要 求，人们对于IGBT功率模块可靠性的研究也越来越深入。

下面针对当前国内外对 IGBT功率模块的可靠性分析以及键合线状态评估的研究进展进行详细阐述。

1.2.1 IGBT功率模块可靠性研究现状

实验测试、寿命预测和可靠性评估是对IGBT可靠性分析的三种主要方法[9]。 目前，相关的学者和研究人员做了很多关于IGBT可靠性的实验研究。

并获得了许多有价值的研究成果。认清了IGBT功率模块的失效机理，完善了IGBT功率模块 的可靠性仿真分析方法和可靠性实验手段。

改良了IGBT功率模块的制造工艺，使得IGBT功率模块的可靠性得到了有效提高。

目前，关于IGBT功率模块可靠性的 研究主要分为结温的提取、键合线和焊料层的故障诊断与寿命预测三个方面。

当前，获取IGBT模块结温的方法可以总结为以下四种：物理接触式测量法、 热阻抗模型预测法、光学非接触测量法以及热敏感电参数提取法。

其中，热敏感 电参数法利用器件内部物理参数和温度的映射关系，不需要额外的温度传感器，把模块本身当作一个传递温度的部件。

然后借助器件的某个电气参数来反映芯片的温度。该方法不仅可以精确提取模块内部芯片的结温，而且成本低、响应快、有望在线监测。

从而得到了国内外学者的广泛关注，并取得了丰富的研究成果。热敏感 电参数结温提取法主要有大电流饱和压降法、阈值电压法、驱动电压降差比法、集电极开启电压法和短路电流法等。

文献提出利用导通负载电流时功率模块自身的饱和压降作为热敏感电参数，首先离线校准确定饱和压降和结温的对应关系。

将正向导通电流cI作为致热源，当待测器件导通时测量集射极压降便可计算出瞬时结温。文献根据在不同的驱 动电压下，测量在相同集电极电流时的饱和压降，倒推出结温。

驱动电压的变化会降低功率模块的可靠性，且在线适用性弱。所以文献又提出集电极开启电压法， 在两种不同集电极电流下，分别测得饱和压降。

连接两个坐标点并延伸到横坐标轴，根据相似原理，求出集电极电流为零时的饱和压降，从而计算出结温。

对于阈值电 压法，不需要外加电流源，从而不会使得待测器件产生自热现象，并且与结温具有 良好的线性度。

IGBT功率模块的焊料层健康状态研究也是研究重点。焊料层失效主要是因为 温度分布不均匀以及材料热膨胀系数不匹配引起的热应力造成的。

空洞和裂纹有限元法成为当前IGBT焊料层失效分析的主要方法。文献建立IGBT 功率模块的电-热-机械力模型。

分析了不同焊料层失效程度对功率模块稳态以及瞬态电-热-机械应力分布特性规律，发现焊料层边角处以及空洞边缘处的热应力最大。

芯片结温随着空洞半径的增大呈指数增长，并提出将温度梯度作为表征焊料层健 康水平的参数；文献发现对角线上的空洞对芯片结温的影响最大。

且芯片DBC 下铜层焊料层空洞率和芯片结温以及芯片结壳热阻近似线性关系；文献[22-24]揭示了功率循环条件下焊料层裂纹的演化过程。

文献进行了裂纹扩展实验，得出了关于Sn Pb焊料的裂纹扩展速率方程，该方程的参数变量是等效塑性应变的增量。

1.2.2 IGBT功率模块键合线状态评估研究现状

键合线焊接在芯片和铜层上，实现芯片的电气连接，为了提高IGBT功率模块 的载流能力，通常将多根键合线并行连接。

1.3 论文的主要研究内容

针对以上对IGBT功率模块失效分析、特征参数提取、集射极饱和压降以及键 合线状态评估的研究等几个方面的综述。

现有的IGBT功率模块键合线失效分析和状态评估方法中，存在以下一些问题：

1. IGBT模块的功率损耗计算不精确导致有 限元分析误差较大；

2.表征IGBT模块故障的电气参数的测量必须借助昂贵的实验设备或者搭建复杂的辅助电路；3.没有考虑IGBT模块工作条件的变化对其失效的影响。

为了弥补以上缺陷，本文提出基于改进最小二乘支持向量机的IGBT模块键合 线状态评估方法。论文主要的研究内容有：

1. 首先介绍了IGBT功率模块失效分析以及键合线状态评估的研究背景和 意义，概述了目前国内外的研究现状。

从IGBT功率模块结构特性入手，分析得出 键合线及芯片的故障特性将在模块的集射极饱和压降的变化上得到体现。

定性分 析了键合线脱落和芯片故障时对集射极饱和压降产生影响的变化趋势。

1. 以西门康系列的SKM50GB12T4型号为例，根据其数据手册，考虑寄生 电感和寄生电容的影响，在Simplorer中构造模块的动态模型。

其次搭建了半桥测 试电路，对模型的开关特性进行测试，验证了该动态模型的有效性。

1. 根据在Simplorer中提取到的模块电压电流波形，在matlab中进行离散 积分计算，得到IGBT模块的平均损耗。

然后在ANSYS中搭建SKM50GB12T4的 三维有限元模型，将计算得到的损耗作为有限元模型的输入条件。

进行温度场和应 力场仿真分析，并且模拟键合线脱落对模块内部芯片结温和应力的影响。

1. 搭建全桥逆变器实物平台以及集射极饱和压降采样电路，在不破坏模块 内部结构的前提下，对模块中一个IGBT芯片的键合线进行人为的挑断。

通过高低 温试验箱模拟模块环境温度的变化，且改变正向导通电流采集饱和压降值，构造环境温度、正向导通电流和饱和压降的三维数据模型。

比对了键合线不同脱落根数时 饱和压降曲面的变化趋势。

1. 考虑到IGBT功率模块工作在高频开关状态，功率模块从投运到失效的 整个过程的数据量很大，若对产生的大量数据仅采取人工识别的方式将极不现实。

所以本文根据实验得到的三维数据模型将IGBT功率模块分为三个故障等级，采用 遗传算法优化后的最小二乘支持向量机对三维数据模型进行状态评估。

并与未优 化的最小二乘支持向量机的故障分类精度进行了比较，得出该方法具有一定的实 用性。