基于《Overview and prospect of the aging mechanism of press-pack IGBTs》的学术报告

本文的作者团队由多位学者与工程师组成，第一作者为来自北京交通大学电气工程学院的Yuxin Wang（22121518@bjtu.edu.cn），第二作者为同学院的Liangliang Hao。第三至第六作者Lei Yu, Jianxin Gu, Shuo Shi, Di Dai则均来自国网湖北省电力公司直流公司。这篇论文发表于2023年的IEEE国际能源互联网会议（IEEE International Conference on Energy Internet, ICEI），是该会议论文集的一部分。本文是一篇综述性论文，系统性地回顾和展望了柔性直流换流阀中压接型绝缘栅双极晶体管（Press-Pack IGBT, 以下简称PP-IGBT）的老化机理研究。

论文主题与背景

本文的核心主题是PP-IGBT器件在柔性直流输电（特别是基于模块化多电平换流器MMC的柔性直流换流阀中）应用背景下的老化失效机理。柔性直流输电采用电压源换流器（VSC），解决了传统直流输电的换相失败和无功补偿问题，其中MMC因其模块化结构、低开关频率、高可扩展性等优点成为高压大功率传输的主流拓扑。换流阀作为柔性直流换流站的核心设备，其安全稳定运行至关重要。

然而，当前柔性直流换流阀的维护面临严峻挑战。由于投运时间较短，缺乏长期运行数据积累，维护策略仍主要依赖定期检修，这不可避免地导致了维护不足、维护过度或盲目维护等问题。现有针对柔性直流系统维护策略的研究多基于系统级可靠性评估，采用故障树、蒙特卡洛模拟、马尔可夫过程等方法对MMC的子模块-桥臂-系统进行建模。为了简化复杂的系统模型，这些研究通常将子模块寿命分布简化为指数分布模型，即假设其失效率恒定。这种做法忽视了器件和设备老化对系统可用性的影响，无法满足对包含高失效率电力电子器件的柔性换流阀进行可靠性分析的需求。

因此，论文指出，有必要研究子模块关键器件（即PP-IGBT）的失效物理模型（Physics of Failure Models, PoF模型），并将其与换流阀的实际运行紧密结合，基于关键器件的老化来研究换流阀的可靠性。IGBT常被认为是直流换流器中失效率最高的器件，因此从PP-IGBT入手，厘清其老化机理的理论基础，对于在精确的器件级可靠性评估之上构建系统级维护问题具有关键意义。

论文主要观点阐述

观点一：PP-IGBT的老化机理研究存在“孤岛”现象，需建立宏观应力与微观老化之间的联系。 作者指出，在柔性直流换流阀中，为满足高电压、大电流、高功率密度的要求，通常采用PP-IGBT器件并进行大规模芯片并联。然而，现有对大功率IGBT器件的研究对象主要是功率模块IGBT，对PP-IGBT的认识有限。尽管已有研究涉及PP-IGBT器件本身的特性、失效机理和状态监测，但缺乏将其作为换流阀组成部分、探究其在阀内特殊任务（完成子模块开关动作）下老化过程的研究。部分文献设计了实验来模拟不同形式的热应力以产生老化损伤，但仅对实验现象的分析难以反映应力作用与器件老化过程中的物理联系；另一些文献计算了MMC及其功率器件的损耗，阐明了复杂工况下子模块和功率器件承受的电压电流应力特性，但并未用于指导器件老化过程的研究。现有的PP-IGBT老化研究处于相互孤立的状态，未能建立器件所受宏观应力（电、热、机械）与其内部微观老化之间的关联。因此，未来研究需要结合IGBT器件老化加速实验现象、换流阀实际运行工况下的电气应力、以及器件内部机电热耦合的物理场作用，开展器件级的可靠性评估研究。

观点二：PP-IGBT的老化机制可分为多种明确类型，每种机制都有其独特的成因、表现和正反馈特性。 论文的核心部分是对PP-IGBT各类老化机制的详细综述。作者将其主要归纳为以下五种： 1. 微动磨损（Fretting Wear）老化：这是PP-IGBT最常见的初始老化模式，本质上是由于器件各层材料热膨胀系数不匹配，在功率循环产生的热应力下，垂直方向的压力波动导致接触面间发生水平方向的微小幅度相对滑动和摩擦。其直接后果是接触表面粗糙度增加，导致接触电阻和接触热阻上升。接触电阻增大会影响器件的通态电阻和通态压降；接触热阻占总热阻的很大比例（文中提及可达50%），其增大会导致器件产热增加、散热能力下降，进而加剧微动磨损，形成一个性能持续恶化的正反馈循环。有限元仿真和功率循环实验均观察到，磨损最严重的区域通常发生在芯片发射极与钼片缓冲层接触的边缘部分。 2. 栅氧（Gate Oxide）老化：这是微动磨损老化在严重情况下的进一步发展，也被认为是PP-IGBT中最常见的老化模式之一。当芯片发射极表面的铝镀层因微动磨损而变薄甚至磨损穿透后，其下方的栅氧化层会受到损害，导致磨损或断裂。栅氧老化的直接结果是栅极-发射极电阻下降、漏电流上升、通态压降升高，最终导致损耗和发热进一步增加，反过来加剧微动磨损和栅氧老化，形成另一个正反馈循环。仿真和实验观察到，失效常发生在芯片发射极与钼层接触的边缘，特别是在栅极凹槽附近及其他三个边缘，可能出现凹痕、划痕、单点裂纹乃至大面积裂纹。 3. 边界翘曲（Boundary Warping）老化：这是局部应力过载的另一种结果，主要出现在压接式多芯片器件中。根本原因是施加在器件内部各芯片上的应力不均匀。芯片工作发热导致材料热膨胀，改变了原有的压力、电流和温度分布，加剧了热膨胀问题。此时，芯片发射极上下表面存在温差，膨胀程度不等，导致发射极侧发生翘曲现象，芯片边缘部分失去接触。这同样是一个正反馈过程。仿真表明，多芯片器件在正常工作时，单个芯片内部中心压力大于边缘，芯片之间中间区域芯片压力大于边缘区域芯片。但芯片温度和电流密度的分布模式与之相反。功率循环实验后观察到失效器件的芯片边缘常有小型烧蚀点。论文特别指出，这种应力分布不均现象主要出现在凸台型（tabbed）多芯片封装中，而弹簧型（spring-loaded）封装因内部碟形弹簧的存在，能有效缓解过热应力并补偿冷却过程中的力，保持了各芯片压力分布的均匀性。 4. 短路（Short-Circuit）老化：尽管常被视为一种失效模式，但由于其过程是渐进的，本文将其归类为一种老化类型。其机理被分为三个阶段：导电合金形成初期、中间阶段和最终失效阶段。老化过程中会产生三种有害效应：熔融铝侵蚀钼并在基底中形成裂纹；钼颗粒、硅和铝相互作用形成多种金属间化合物；脆性金属间化合物导致导电合金与基底的粘附性恶化。裂纹和金属氧化物的产生会使接触电阻和热阻增加，加速金属熔化和氧化过程，最终导致芯片内部PN结被破坏而失效。仿真和加速老化实验表明，靠近栅极的有源区边缘与发射极钼片接触的部位是短路老化的薄弱区。短路老化的最终结果可能导致开路（Open-Circuit）失效，文中将其视为短路老化的最终阶段。 5. 其他老化：包括接触面微侵蚀（Micro Eroding）老化和弹簧（Spring）老化。接触面微侵蚀老化是指由于微电弧放电导致的接触材料表面烧蚀损伤，属于绝缘问题，其根源仍可追溯到各层材料热膨胀系数不匹配导致的接触不良。弹簧老化是PP-IGBT特有的失效模式，存在于凸台型封装的栅极触针弹簧和弹簧型封装的发射极及栅极碟形弹簧中，包括弹簧疲劳和弹簧应力松弛，主要由热应力引起。在多芯片器件中，单个芯片的弹簧老化会引发应力重分布，加速其余健康芯片的老化，同时增加栅极电阻，导致开关时间和损耗增加，形成正反馈。

观点三：未来PP-IGBT器件级可靠性研究应聚焦于四个关键方向。 基于对现有老化机制的分析，论文对未来的研究方向进行了展望： 1. 多芯片封装器件的老化机理研究：实际工程中多采用多芯片封装，其内部存在显著的芯片间及芯片内部应力分布不均现象。这会导致器件薄弱层老化，并使得单一芯片老化后，其余健康芯片承受更大应力，加速整体老化。因此，需要研究量化局部老化对整体老化的影响。 2. PP-IGBT的加速老化实验研究：当前老化机理研究的佐证多为实验器件的目视和显微观察结果，而器件的功能性能是否完好、各项电参数如何变化，需要在实验中通过测量来验证，并将实验结果与有限元模型的仿真结果相互印证。 3. 面向多芯片封装器件的多物理场耦合分析：当前的多物理场研究多基于单芯片封装，无法考虑“均流/均压/均力”问题带来的应力重分布，也就无法基于器件整体电参数的变化来判断内部芯片状态和预测器件剩余寿命。 4. 围绕PP-IGBT的多重老化机理研究：显然，PP-IGBT的老化是由多种因素决定的，各种老化模式并非单独、独立发生。为了表征器件的老化程度并揭示参数演变规律，必须考虑多种老化模式的同时发生。

论文的意义与价值

本篇综述论文具有重要的学术价值和工程指导意义。在学术上，它首次系统性地对柔性直流换流阀这一特定应用场景下的PP-IGBT老化机理进行了归纳和分类，清晰地梳理了微动磨损、栅氧老化、边界翘曲、短路老化等主要机制的内在原理、相互关联及正反馈特性，为后续深入的失效物理建模和可靠性研究提供了清晰的理论框架和研究脉络。论文明确指出了当前研究存在的“宏观”与“微观”脱节的问题，并提出了未来需要融合实验现象、运行应力和多物理场耦合分析的研究范式。

在工程应用上，该论文直接针对柔性直流输电工程中换流阀维护所面临的痛点问题。通过强调基于器件精确老化模型的可靠性评估的重要性，为推动柔性直流换流阀从传统的定期预防性维护向更科学、更经济的预测性维护或状态检修转变提供了关键的理论基础。文中对多芯片封装不均性问题、弹簧型封装优势的分析，以及对未来研究方向的展望，对电力电子器件制造商优化PP-IGBT封装设计、提升产品可靠性，以及对电网运行单位制定更合理的设备维护策略和寿命管理方案，都具有直接的参考价值。