该研究由重庆大学电气工程学院、电力装备与系统安全及新技术国家重点实验室的研究人员Wei Lai（通讯作者）、Yunjie Wu、Anbin Liu、Hui Li、Ran Yao，以及中国南方电网有限公司的研究人员Zhiyong Yuan、Kai Ma、Yan Xiong、Ying Li合作完成。论文以 “Experimental Investigation on Fatigue Failure Evolution of Press-Pack IGBT Devices under MMC Operating Conditions” 为题，发表于 IEEE Transactions on Power Electronics 期刊的2025年8月刊，具体为第40卷第8期。这项研究深入探讨了压接型绝缘栅双极晶体管在模块化多电平换流器实际工况下的长期老化失效机理。
本研究属于电力电子器件可靠性领域，具体聚焦于高压直流输电系统中的核心功率半导体器件。以模块化多电平换流器为拓扑的换流阀是基于电压源换流器的高压直流输电系统的核心，而压接型绝缘栅双极晶体管模块是其关键组件。压接型器件因其单位体积功率密度高、无引线键合疲劳失效风险、可实现双面散热等优点，在高压大功率场合得到广泛应用。然而，其可靠性直接关系到输电系统的安全稳定运行。当前，针对压接型器件失效机理和可靠性的研究多集中于失效后的形貌分析，对于其在MMC实际工况下的长期老化失效机理，以及各个老化阶段末期器件参数特征仍不明确。此外，现有的器件可靠性测试主要采用直流功率循环测试，这不足以有效表征实际工况下的物理失效过程。因此，分析压接型器件在MMC工况下的长期老化失效机理与演化过程，获取器件整个寿命周期内的特征参数演变，对于VSC-HVDC系统的运行维护至关重要。本研究旨在阐明压接型器件在实际交变工作条件下的失效机理，揭示其老化过程中关键特征参数的演化规律，最终为MMC系统的运行管理、控制保护以及器件优化设计提供指导。
本研究的工作流程系统而完整，主要包含四个核心环节：构建多物理场模型进行弱点和应力分析、搭建可重现MMC工况的加速老化试验平台、在交流功率循环测试中观察并分析失效演化过程、最后对比交流与直流测试的差异。
首先，研究团队为分析结温和压力对压接型器件机械性能的影响并识别失效弱点，建立了一个电-热-机械耦合的多物理场模型。研究对象为3300V/50A的刚性压接型绝缘栅双极晶体管。他们使用COMSOL Multiphysics软件，基于器件的实际三维几何参数和各层材料的物理属性（详见表I和表II），建立了耦合的有限元模型。模型特别对芯片和烧结层等潜在弱点区域进行了精细网格划分。边界条件的设定模拟了实际运行：集电极和发射极铜板在压力下与水冷板接触散热；施加固定压力载荷；模拟通态电流路径。通过该模型，提取了芯片结温在70°C、100°C、130°C和160°C时，器件内部的应力和应变分布。分析结果显示，应力与应变主要集中在两个区域：一是IGBT芯片发射极与钼片接触的边缘，二是烧结层的中心和边缘。这些区域被确定为器件失效的潜在“弱点”。芯片发射极边缘的磨损会导致其下壳热阻增加和集电极-发射极压降上升；烧结层弱点区域的空洞增多则会导致上壳热阻显著增加。
其次，为了精确再现MMC子模块的工作条件并采集器件老化特征参数，研究团队自主搭建了一套交流功率循环测试平台。该平台的创新之处在于其能够等效模拟MMC子模块的运行工况，而不仅仅是简单的通断加热。平台的核心是一个基于滞环控制策略的模拟电路模型（拓扑见图5），该模型将一个全桥变换器和一个电感作为可控电流源，以产生特定的电流来模拟MMC中的桥臂电流，同时使用辅助子模块来补偿被测子模块的电压，从而降低对直流母线电压的需求。测试平台还包括高精度的参数测量子系统：1）采用基于反向串联齐纳二极管钳位拓扑的电路（图7）来测量通态压降，并通过光耦隔离芯片HCNR201进行隔离保护，确保在高压下安全采集低幅值的Vcesat信号。2）采用热电偶分别测量靠近器件外壳的冷却板温度（壳温）和安装在发射极钼片侧面的芯片结温。3）根据测量的功率损耗和温升，通过公式计算器件的结壳热阻。整个实验平台（整体结构见图9）实现了对参考MMC系统子模块电容电压和桥臂电流波形的高精度再现，其中子模块电容电压的峰值再现误差小于1.9%，桥臂电流误差小于10%（图10），验证了平台的有效性。
第三，利用上述平台，研究团队对压接型器件进行了不同结温波动和不同压力下的长期老化功率循环测试。他们设计了多组对比实验（详见表IV），记录了每个测试周期中的热阻和通态压降变化。测试以器件完全失效为终点。实验结果表明，在压力恒定时，结温波动和平均结温越高，器件达到失效的循环次数越少；在结温条件相近时，施加的压力越大，循环寿命也越短。这从实验上量化了热应力和机械应力对器件寿命的加速作用。更重要的是，通过对失效后器件的特征分析（表V），他们在交流功率循环测试中识别出两种主要的失效模式：一种是由于集电极-发射极阻断电压下降导致关断时过压击穿的短路失效；另一种是由于栅极漏电流失控导致的开路失效。对失效芯片的显微观察（图12）进一步证实了这两种模式：短路失效的芯片发射极表面有明显的击穿熔融通道，而开路失效的芯片表面则无此现象。
第四，为了深入探究失效机理并观察老化过程中微观形态的演化，研究团队在测试的不同阶段提取并分析了器件的静态特性参数和微观形貌。他们使用功率信号分析仪采集了不同循环次数后器件的栅极漏电流和集电极-发射极漏电流数据（图13）。分析发现，栅极漏电流的增加主要源于微动磨损对栅氧层的损伤，其增长过程与接触面摩擦因数的四阶段磨损机制相吻合。而集电极-发射极漏电流的增加则主要是由于功率循环中交替热应力导致的芯片发射极表面产生裂纹和损伤，造成芯片钝化层缺陷。当器件耐压水平下降过低时，就会在关断阶段因过压而发生雪崩击穿，导致短路失效。同时，他们对烧结层和芯片发射极表面进行了微观形貌扫描（图14-19）。结果显示，随着循环次数增加，烧结层发生熔融和析出，内部空洞增多，热阻增大；芯片发射极表面，尤其是与钼片接触的边缘区域，出现了明显的压痕和磨损，铝涂层的厚度显著减少（从20µm降至8µm）。对短路失效点的微观扫描（图19）显示该位置多个元件已熔融在一起，与正常区域明显不同。基于这些终端参数、静态参数和微观形态的演化证据，研究团队完整推导并图示（图21）了压接型器件从材料系数失配、微动磨损开始，到接触电阻/热阻增加、栅氧/芯片表面损伤、漏电流增大，最终演变为开路或短路失效的全过程。
研究的主要结论具有重要价值。本研究系统地揭示了压接型绝缘栅双极晶体管在MMC实际工况下的长期老化失效机理，明确了两种竞争性的失效模式（栅极失效导致的断路和耐压下降导致的短路），并完整描述了其从微观磨损到宏观失效的演化路径。其科学价值在于首次通过能够精确再现实际工况的交流功率循环测试，获得了传统直流测试无法揭示的失效物理过程，弥补了该领域研究方法的不足。在应用价值上，该研究为MMC系统的运行管理部门提供了更准确的失效信息，有助于优化运维策略；为控制保护设计者揭示了器件在实际开关应力下的失效诱因，可指导更精准的保护阈值设定；也为器件制造商优化压接型器件的结构设计（如针对已识别的弱点区域）和材料选择提供了直接依据。
本研究的亮点突出体现在多个方面。首先，在研究方法上具有显著创新性：研究团队自主开发了一套能够高精度（电压误差<1.9%，电流误差<10%）再现MMC子模块实际电压、电流及开关序列的交流功率循环测试平台，这为解决传统直流测试条件与真实工况脱节的问题提供了有效的实验手段。其次，研究发现具有重要突破：明确指出了在交流工况下，压接型器件存在与传统直流测试不同的短路失效模式，并且该模式与实际工程中观察到的故障特征一致，这直接挑战了沿用直流测试结果进行工程可靠性评估的惯例。再者，研究内容系统而深入：采用了“建模仿真预测弱点-搭建平台复现工况-长期测试观察演化-微观分析验证机理”的完整研究链条，实现了从宏观电气参数到微观材料形貌的多尺度、多物理场耦合分析，论证充分，逻辑严密。
此外，研究中对交流与直流功率循环测试差异的对比分析极具价值（图22，表VI）。研究明确指出，直流测试仅施加热应力，而交流测试还叠加了开关过程中的电压/电流过冲等电应力。这导致两种测试在失效模式和器件寿命上存在根本差异：直流测试下器件仅表现为开路失效，且循环寿命被显著高估；而交流测试则能复现出与实际工程更吻合的短路失效，且寿命更短。这一结论强烈表明，基于非实际工况的可靠性测试无法有效表征实际运行条件下的物理失效过程，对于电力电子器件的可靠性评估与寿命预测研究具有重要的警示和指导意义。最终，这项研究期望能为MMC换流系统设计工程师提供帮助，并为开发有效的状态监测和服役寿命预测技术奠定基础。