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、海上運輸、軌道交通、新能源發(fā)電等軍事、經濟領域得到廣泛應用,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,已成為當前研究的首要任務。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。當前,針對IGBT芯片疲勞失效的健康狀態(tài)監(jiān)測與可靠性評估研究基本處于空白,而針對封裝疲勞失效的健康狀態(tài)監(jiān)測與可靠性評估研究國內外已具備一定基礎,在封裝疲勞失效與外部特征量關系方面做了一些探索,但未形成確定結論,未能清楚分析IGBT疲勞失效的機理,未能建立準確有效的健康狀態(tài)監(jiān)測方法。本書通過詳細分析IGBT芯片與封裝疲勞失效機理,在研究失效特征量隨疲勞老化時間變化規(guī)律的基礎上,通過將理論分析與解析描述相結合,建立了IGBT相關電氣特征量的健康狀態(tài)監(jiān)測方法,對處于不同壽命階段的IGBT器件健康狀態(tài)進行有效評估?本書主要研究內容與成果包括:

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

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

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

4)基于封裝疲勞失效機理,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溫的健康狀態(tài)監(jiān)測方法,通過該方法可以對IGBT封裝疲勞程度進行有效評估。

本書的框架制定?章節(jié)編排和全書統(tǒng)稿由肖飛教授負責,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,其余內容由劉賓禮老師編寫。

本書可作為從事電力電子技術理論與工程的技術人員的參考書,也可作為電力電子與電力傳動專業(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習環(huán)境和學術氛圍,使我們能夠潛心研究?專注科研;感謝團隊和課題組全體成員在本書內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;感謝國家自然科學基金重大項目電力電子器件及其組合混雜系統(tǒng)多時間尺度的動力學表征(編號:51490681)、國家重點基礎研究發(fā)展計劃973項目大功率全控型電力電子器件失效機理及盡限應用(編號:2015CB2510004)和國家自然科學基金青年項目IGBT芯片疲勞失效機理及其健康狀態(tài)監(jiān)測方法研究(編號:51507185)對本書的資助。

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,各個行業(yè)和領域迫切需要高質量、高效率的電能。電力電子技術是一門依靠電力電子器件實現(xiàn)電能高效存儲、變換與控制的學科,是將一次能源變換為人類所需要的電能并實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要手段。它是弱電控制強電、信息技術與制造技術、傳統(tǒng)產業(yè)自動化與智能化改造以及高科技產業(yè)之間不可缺少的重要橋梁,在推動科學技術和經濟發(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,具有開關速度快、開關損耗小、耐受脈沖電流能力強、通態(tài)壓降低、驅動功率小等優(yōu)點,已廣泛應用于各種中?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理、提高其應用可靠性以及提升精細設計能力,已成為當前電力電子領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域基礎理論及應用研究、關鍵技術攻關和重大裝備研制,主持和參與了國家973、國家自然科學基金、國防重大裝備研制等30余項重大科研項目。

本書針對IGBT器件可靠性中的疲勞失效問題,從現(xiàn)象到機理,從規(guī)律到方法,進行了詳細論述。作者通過對IGBT器件疲勞失效機理進行深入分析,闡明了IGBT器件疲勞產生的根本原因和產生疲勞之后相關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,實現(xiàn)了對IGBT器件健康狀態(tài)與可靠性的有效評估,為電力電子裝置實現(xiàn)精確設計與可靠性定量評估奠定了堅實基礎,為電力電子裝置實現(xiàn)體積輕量化?成本最小化和性能最優(yōu)化的精細設計等提供了重要技術支撐。

本書邏輯清晰、觀點鮮明、結構合理、內容豐富、圖表公式準確,具有較好的可讀性和較強的參考價值,有助于提升讀者對IGBT器件疲勞失效的認識,同時為電力電子器件及裝置的健康狀態(tài)監(jiān)測和可靠性評估領域的研究,提供了有效的思路和可行的方法。

馬偉明
2019年10月于武漢