解析高压IGBT模块在湿度影响下的寿命预估模型
品慧电子讯本文介绍了高压IGBT模块在湿度影响下的寿命预估模型。此模型涉及的湿度加速因子是从温湿偏置试验中提取的；高压IGBT的温湿偏置试验在不同的湿度和不同的电压下进行测试，目的是为了找出湿度和电压对高压IGBT寿命的影响。最终，我们把湿度和电压对高压IGBT寿命的影响以及温度因数都集成到寿命预估模型中。通过试验，我们同时发现湿度对高压IGBT模块的寿命有很大影响。
1、引 言
在一些电力电子应用场合，不仅需要高压IGBT模块有优异的性能，还需要具有相当高的可靠性；为了满足实际需求，希望高压IGBT模块的寿命能达到30年，所以，高压IGBT模块的寿命预估非常重要。以前，尽管我们都知道湿度会对高压IGBT模块的寿命产生很大影响，但是没有一个准确的寿命预估模型把湿度因素考虑进来。三菱电机持续研究湿度对高压IGBT模块可靠性的影响，从而得到新的高压IGBT模块的寿命预估模型，通过这个模型来预估高压IGBT的寿命。同时，三菱电机通过采用SCC(Surface Charge Control)技术开发了新一代高压IGBT模块，具有抵御高湿度的能力。
2、高湿引起高压IGBT模块
失效机理
三菱电机对湿度引起的失效模式进行了研究。高湿引起高压IGBT模块的失效机理详见PCIM 2015论文[2]。
一般来说，击穿电压会随着IGBT芯片边缘电荷量QSS的增加而降低。图1为6.5kV 高压IGBT芯片的击穿电压随着QSS变化的曲线图。高湿度工况下的失效机理如下所述。
当给集电极和发射极之间施加电压，高压IGBT内部的凝胶会被电极化，芯片的边缘会累积电荷QSS，同时，凝胶中的湿气会加速电荷的集聚，此时，其击穿电压在高湿环境下会下降。所以湿度和电压会加速IGBT模块的退化，同时温度也会加速IGBT模块的退化。
三菱电机通过采用新的IGBT芯片边缘技术SCC（Surface Charge Control）提高了高压IGBT模块在抵御高湿度方面的鲁棒性。
为了抑制IGBT芯片边缘电荷集聚，SCC技术采用了优化的半绝缘性材料替代传统的绝缘材料，这个半绝缘性层为集聚的载流子提供了通路，如图3所示，在高湿工况下，产生的载流子会通过半绝缘层传递出去，避免了电荷的大量集聚。
3、湿度影响下的寿命预估模型
C. Zorn介绍了考虑湿度、温度和电压的加速模型[1]。
公式中，αf为测试的加速因子，也就是加速（后缀为a）测试条件下MTTF（Mean Time To Failures，平均无故障时间）与参考（后缀为u）测试条件下MTTF之比。EA是活化能，在0.79eV和0.95eV之间，k为玻尔兹曼常数。指数x为相对湿度的影响，指数y为电压的影响，都是经验数据，但是必须通过实际评估来确认。我们把此加速模型扩展到寿命预估模型中。
湿度的寿命模型为：
湿度加速因子：
温度加速因子：
电压加速因子：
其中：LTb:在参考条件下的基本寿命；
RH[%]: 用于寿命计算的外界环境相对湿度；
T[℃]:用于寿命计算的外界环境温度；
V[V]:用于寿命计算的电压；
参考条件下的相对湿度为：RHu=75%。
参考条件下的环境温度为：Tu=25℃。
参考条件下的电压为：Vu=1500V。
相对湿度的经验影响因子为x。
电压的经验影响因子为y。
活化能EA=0.79eV。
玻尔兹曼常数k=8.62×10-5eV/K。
LT是考虑湿度、温度和电压的预估寿命，公式中的参数，LTb是参考条件下的基本寿命，与每个高压IGBT模块的结构相关，湿度加速因子πH，温度加速因子πT，电压加速因子πV，其它的参数来自加速模型。在此寿命估算模型中，活化能EA定义为最小值0.79eV。同时，参考条件，RHu=75%和Tu=25℃是东京8月份的平均环境条件。除此之外，Vu=1500V为直流网压。
4、加速因子的估算
4.1 温湿反偏试验测试结果
3.3kV高压IGBT的温湿反偏试验是在以下三个条件下测试：测试条件A（Ta=85℃，相对湿度=85%， VCE=2800V），测试条件B（Ta=85℃，相对湿度=95%， VCE=2800V），测试条件C（Ta=85℃，相对湿度=95%， VCE=2000V），测试结果如图4，图5和图6所示。
根据失效机理，湿度引起的失效应该在芯片的边缘区域。试验过程中发生的失效点，同样在芯片的边缘，如图7所示。
4.2 湿度加速因子
如图4所示，在测试条件A的平均寿命为3023个小时。同样，如图5所示，在测试条件B的平均寿命为309个小时。所以，从相对湿度85%到相对湿度95%，加速因子αf_A-B通过计算为3023/309=9.78。相对湿度的经验影响因子x通过下式计算：
这里RHa_testB=95%, RHa_testA=85%, 所以上式的计算结果x=20.5。
4.3 电压加速因子
如图5所示，在测试条件B的平均寿命为309个小时。同样，如图6所示，在测试条件C的平均寿命为490个小时。所以，从电压2000V到电压2800V，加速因子αf_C-B通过计算为490/309=1.59。电压的经验影响因子y通过下式计算：
这里Va_testB=2800V, Va_testC=2000V,, 所以上式的计算结果y=1.37。
5. 3.3kV IGBT寿命预估
5.1 基本寿命时间
这里，参考条件定义为RHu=75%，Tu=25℃和Vu=1500V。通过公式（1），可以得到测试条件A中的加速因子αf_A为5.31k，测试条件B中的加速因子αf_B为52.0k，测试条件C中的加速因子αf_B为32.8k。综合这些加速因子，温湿反偏试验测试A、测试B和测试C转换为如表1、表2和表3所示的参考条件。
以上失效点集成为图8所示的威布尔曲线图，从图中可以得到，在参考条件下F(t)=10%的寿命为1210年。同时，在此威布尔分析中，排除了最大点和最小点。所以，在参考条件下，3.3kV IGBT的寿命LTb=1210年。
5.2 寿命预估模型
所有参数通过温湿反偏试验A、试验B和试验C得到确认。所以新的寿命预估模型如下：
湿度加速因子：
温度加速因子：
电压加速因子：
LTb=1210年，Tu=25℃，Vu=1500V，x=20.5，y=1.37，EA=0.79eV，k=8.62×10-5 eV/K
新的寿命预估模型仅考虑了湿度引起的失效，但是在实际运行时必须考虑除了湿度以外其它因素引起的失效。
5.3 寿命预估结果
通过以上寿命预估模型，可以预估3.3kV IGBT在不同工况下的寿命。图9展示了寿命预估结果，包含了在直流1500V下1年、30年和1000年的温度湿度矫正曲线。通过这些曲线，我们可以看到3.3kV IGBT有足够强的抵御湿度能力。
从上图可以看出，相对湿度增加11%或者温度增加40℃，都会造成寿命从1000年减为30年，所以，相对来说，相对湿度的影响比温度影响更大。一般来说，当变流器内部升温时，绝对湿度会保持不变。如果环境条件从温度38.9℃、相对湿度83.0%变为温度42.6℃、相对湿度68.8%，但是绝对湿度值保持40g/m3，寿命会从30年增加到1000年。所以，预加热是一种非常有效的抑制湿度失效的方法。
当然，1000年的计算值仅仅是考虑湿度情况下的寿命，如果考虑上其它因素，比如温度循环寿命等，IGBT模块实际寿命在实际中并没有这么长。
同时，以上寿命预估模型是基于温湿反偏试验，所以没有考虑温度快速变化的情况。特别当快速冷却会造成凝露，比高湿工况更加严酷。在实际工况中，这种温度快速变化的工况也应该考虑。为了防止凝露，同样的，预加热是一种有效的手段。
6. 结 论
本文介绍了考虑湿度影响的寿命预估模型。通过这个模型，得到了1500V情况下的1年、30年和1000年的温度湿度矫正曲线，并且确认了3.3kV IGBT模块具有足够的抑制湿度失效的能力。
同时，本文确定了高湿会对高压IGBT模块的寿命产生很大的影响，所以如果变流器在高湿工况下时，必须考虑湿度带来的影响。预加热是一种非常有效的抑制湿度失效的方法。
7. 参考文献
[1]Christian Zorn, Nando Kaminski, “Acceleration of Temperature Humidity Bias(THB) Testing on IGBT Modules by High Bias Levels,” 2015 IEEE
[2]N. Tanaka, et al., “Robust HVIGBT Modules Design against High Humidity,” PCIM Europe2015
[3]Shigeto Honda, Tatsuo Harada, Akito Nishii, Ze Chen, Kazuhiro Shimizu, “HighVoltage Device Edge Termination for Wide Temperature Range plus Humidity withSurface Charge Control (SCC) Technology,” ISPSD 2016.
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