前言
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為電能變換裝置的核心部件,在航空航天、電磁發(fā)射、海上運(yùn)輸、軌道交通、新能源發(fā)電等軍事、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,具有不可替代的地位和作用。因此,提高電能變換裝置可靠性與IGBT器件疲勞失效之間的矛盾日益凸顯,已成為當(dāng)前研究的首要任務(wù)。IGBT疲勞失效按照其失效部位分為芯片疲勞失效和封裝疲勞失效。當(dāng)前,針對(duì)IGBT芯片疲勞失效的健康狀態(tài)監(jiān)測與可靠性評(píng)估研究基本處于空白,而針對(duì)封裝疲勞失效的健康狀態(tài)監(jiān)測與可靠性評(píng)估研究國內(nèi)外已具備一定基礎(chǔ),在封裝疲勞失效與外部特征量關(guān)系方面做了一些探索,但未形成確定結(jié)論,未能清楚分析IGBT疲勞失效的機(jī)理,未能建立準(zhǔn)確有效的健康狀態(tài)監(jiān)測方法。本書通過詳細(xì)分析IGBT芯片與封裝疲勞失效機(jī)理,在研究失效特征量隨疲勞老化時(shí)間變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,通過將理論分析與解析描述相結(jié)合,建立了IGBT相關(guān)電氣特征量的健康狀態(tài)監(jiān)測方法,對(duì)處于不同壽命階段的IGBT器件健康狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估?本書主要研究內(nèi)容與成果包括:

1)對(duì)IGBT器件芯片相關(guān)疲勞失效機(jī)理和芯片疲勞后IGBT電氣特性變異規(guī)律進(jìn)行了深入分析,得出芯片疲勞相關(guān)的特征量及其變化機(jī)理。

2)對(duì)IGBT器件封裝相關(guān)疲勞失效機(jī)理和封裝疲勞后IGBT外部表征演變規(guī)律進(jìn)行了深入分析,得出封裝疲勞相關(guān)的特征量及其變化機(jī)理。

3)基于芯片疲勞失效機(jī)理,通過將理論分析與解析描述相結(jié)合,建立了基于芯片疲勞的閾值電壓?集電極漏電流和關(guān)斷時(shí)間的健康狀態(tài)監(jiān)測方法,通過該方法可以對(duì)IGBT芯片疲勞程度進(jìn)行有效評(píng)估。

4)基于封裝疲勞失效機(jī)理,通過建模與分析,建立了基于封裝疲勞的熱阻、集射極飽和壓降和結(jié)溫的健康狀態(tài)監(jiān)測方法,通過該方法可以對(duì)IGBT封裝疲勞程度進(jìn)行有效評(píng)估。

本書的框架制定?章節(jié)編排和全書統(tǒng)稿由肖飛教授負(fù)責(zé),第7章中的7.1.1節(jié)由羅毅飛研究員編寫,第5章中的5.4節(jié)和5.5.3節(jié)由黃永樂老師編寫,其余內(nèi)容由劉賓禮老師編寫。

本書可作為從事電力電子技術(shù)理論與工程的技術(shù)人員的參考書,也可作為電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)的本科生?碩士和博士研究生以及從事電力電子器件方面研究的師生與研究人員的參考書。

感謝尊敬的馬偉明院士為我們營造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)術(shù)氛圍,使我們能夠潛心研究?專注科研;感謝團(tuán)隊(duì)和課題組全體成員在本書內(nèi)容開展研究過程中給予的支持;感謝唐勇、汪波和陳明老師在編寫第1章緒論過程中提供的幫助;感謝國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目電力電子器件及其組合混雜系統(tǒng)多時(shí)間尺度的動(dòng)力學(xué)表征(編號(hào):51490681)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目大功率全控型電力電子器件失效機(jī)理及盡限應(yīng)用(編號(hào):2015CB2510004)和國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目IGBT芯片疲勞失效機(jī)理及其健康狀態(tài)監(jiān)測方法研究(編號(hào):51507185)對(duì)本書的資助。

由于作者水平有限,書中難免存在不妥之處,歡迎廣大讀者提出寶貴意見與建議。

序
在國家大力發(fā)展清潔能源,提倡高效、節(jié)能、環(huán)保的戰(zhàn)略背景下,在國防武器裝備跨越式發(fā)展的重大需求下,各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域迫切需要高質(zhì)量、高效率的電能。電力電子技術(shù)是一門依靠電力電子器件實(shí)現(xiàn)電能高效存儲(chǔ)、變換與控制的學(xué)科,是將一次能源變換為人類所需要的電能并實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要手段。它是弱電控制強(qiáng)電、信息技術(shù)與制造技術(shù)、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化與智能化改造以及高科技產(chǎn)業(yè)之間不可缺少的重要橋梁,在推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中發(fā)揮著不可替代的作用。每一次電力電子技術(shù)的重大變革,都離不開其核心部件電力電子器件的發(fā)展和更新?lián)Q代。

電力電子器件經(jīng)歷了不可控器件、半控型器件、全控型器件的發(fā)展歷程。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為全控型電力電子器件的典型代表,具有開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小、耐受脈沖電流能力強(qiáng)、通態(tài)壓降低、驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于各種中?大功率電能變換裝置。因此,充分發(fā)揮IGBT器件的電氣特性與全方位剖析其失效機(jī)理、提高其應(yīng)用可靠性以及提升精細(xì)設(shè)計(jì)能力,已成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的突出矛盾與緊迫挑戰(zhàn)。

本書作者專注于電力電子與電能變換領(lǐng)域基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和重大裝備研制,主持和參與了國家973、國家自然科學(xué)基金、國防重大裝備研制等30余項(xiàng)重大科研項(xiàng)目。

本書針對(duì)IGBT器件可靠性中的疲勞失效問題,從現(xiàn)象到機(jī)理,從規(guī)律到方法,進(jìn)行了詳細(xì)論述。作者通過對(duì)IGBT器件疲勞失效機(jī)理進(jìn)行深入分析,闡明了IGBT器件疲勞產(chǎn)生的根本原因和產(chǎn)生疲勞之后相關(guān)電氣特征量及其表征的變化規(guī)律,建立了基于特征量的健康狀態(tài)監(jiān)測方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT器件健康狀態(tài)與可靠性的有效評(píng)估,為電力電子裝置實(shí)現(xiàn)精確設(shè)計(jì)與可靠性定量評(píng)估奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),為電力電子裝置實(shí)現(xiàn)體積輕量化?成本最小化和性能最優(yōu)化的精細(xì)設(shè)計(jì)等提供了重要技術(shù)支撐。

本書邏輯清晰、觀點(diǎn)鮮明、結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容豐富、圖表公式準(zhǔn)確,具有較好的可讀性和較強(qiáng)的參考價(jià)值,有助于提升讀者對(duì)IGBT器件疲勞失效的認(rèn)識(shí),同時(shí)為電力電子器件及裝置的健康狀態(tài)監(jiān)測和可靠性評(píng)估領(lǐng)域的研究,提供了有效的思路和可行的方法。

馬偉明
2019年10月于武漢