基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法

摘要

本发明提供了一种IGBT集电极漏电流健康状态监测方法，包括以下步骤首先经检测合格的IGBT模块，安装调试完毕，投入使用之前，在一定条件下测试其集电极漏电流并记录为初始值；定期测试IGBT器件的集电极漏电流并记录为测试值；将测试值带入集电极漏电流健康状态监测方法仿真模型中，即可计算出IGBT器件的疲劳老化进程与剩余寿命，达到监测IGBT健康状态的目的；当集电极漏电流偏离程度达到失效标准时，判定为器件失效，此时需对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤。本发明通过初始状态标定与实时监测，即可对处于不同寿命阶段的IGBT器件健康状态与可靠性进行有效评估。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子器件与装置可靠性技术领域，具体涉及一种基于 集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电力电子装置的核心部件，其可靠 性已成为决定整个装置安全运行的最重要因素。国外有研究机构对80个公 司的200多件产品调查后发现，接近40％的电力电子装置故障是由器件失 效引起。随着IGBT器件在航空航天、电磁发射、海上运输、轨道交通、新 能源发电等军事经济领域的广泛应用，其功率等级越来越高，工作环境更 加恶劣，使用条件日益苛刻，对可靠性提出了越来越严苛的要求。

引发IGBT器件失效的外部因素很多，如电源或负载波动、驱动或控制 电路故障、散热装置故障、线路短路等，属于过失或随机失效，通过提高 外部装置和辅助电路可靠性，可有效避免此类失效发生。然而，由于模块 开关运行过程中，长期受到电热应力作用，随着作用效果的不断累积，器 件产生疲劳老化，导致材料及器件性能指标下降而引发的失效，属于疲劳 失效，此类失效是不可阻止、不可避免的。

IGBT器件疲劳失效，是指随着器件运行时间的累积，芯片和封装材料 逐渐产生疲劳，可靠性逐渐下降，最终导致器件疲劳失效，IGBT器件疲劳 失效模式包括芯片疲劳失效和封装疲劳失效。芯片疲劳失效是指在电热应 力作用下IGBT芯片硅材料、栅极和发射极界面产生疲劳，芯片电气性能发 生变异，随着芯片疲劳程度的加剧，集电极漏电流偏离其正常水平的幅度 增大，直至器件失效。

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等半导体器件均可以看成是由多种部件 或多种材料组成的串联或串并联系统。在这一系统中，有许多固相交界面， 在电、热、物理和化学应力作用下，产生界面效应，引发界面疲劳失效。 半导体器件界面主要包括金属—半导体界面(Al-Si)，半导体—绝缘体界面 (Si-SiO2)，金属—绝缘体界面(Al-SiO2)，硅化物界面，以及绝缘体—绝 缘体界面。IGBT栅极界面包括Al-SiO2界面和Si-SiO2界面，发射极界面 为Al-Si界面。

IGBT器件在温度(T)、交变温度(△T)、电压(V)、电流(I)、湿度 (H)等外界应力作用下，芯片栅极和发射极界面两相间发生固—固扩散、 离子电荷迁移、热电子注入，甚至出现裂纹等，导致界面的电、热、机械 特性发生缓慢变异，从而引起器件参数退化，直至器件最终失效。

Al-Si界面可以是欧姆接触，也可以是肖特基势垒接触。在Al的沉积 与合金过程中，以及器件经受强电流冲击时(这种强电流可来自各种电磁 干扰、静电放电、超功率老化和寿命实验等)，Al-Si界面发生了Si向Al 中的固态溶解，Si在Al晶界中的电迁移，Al在Si中的热电迁移等物理过 程，导致Si接触窗口出现渗透坑，轻则造成势垒高度增大；重则导致漏电 流增大，PN结短路。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于集电极漏电流的IGBT健康 状态监测方法，通过初始状态标定与实时监测，即可对处于不同寿命阶段 的IGBT器件健康状态与可靠性进行有效评估。

本发明提供了一种基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法，包括 以下步骤：

(1)安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试经检测合格 的IGBT器件的集电极漏电流，标记为初始值I_leak(st)；

(2)IGBT器件投入使用后，定期测试IGBT器件的集电极漏电流并 记录测试值I_leak；

(3)将测试值I_leak与初始值I_leak(st)进行比较，根据比较结果判断IGBT 器件的集电极漏电流是否达到失效标准；

(4)当集电极漏电流未达到IGBT器件失效标准时，将步骤(2)中获 得的测试值带入集电极漏电流健康状态监测方法仿真模型中，该模型参数 通过IGBT使用手册和参数提取方法获取，进而计算出IGBT器件的疲劳老 化进程与剩余寿命，实现IGBT健康状态监测；

(5)当集电极漏电流达到IGBT器件失效标准时，判定为器件失效并 对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤。

所述步骤(4)中集电极漏电流I_leak健康状态监测方法仿真模型如下式：

$I_{leak}=\left(\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{Aqn}}_i^2\sqrt{D_p}}{N_B\sqrt{{\tau }_p}}+\frac{{\mathrm{Aqn}}_{i}W}{{\tau }_{sc}}+I_{leak\left(em\right)}& V_g\le V_{FB}\\ \frac{{\mathrm{Aqn}}_i^2\sqrt{D_p}}{N_B\sqrt{{\tau }_p}}+\frac{{\mathrm{Aqn}}_{i}W}{{\tau }_{sc}}+I_{mos}+{\mathrm{\Delta I}}_{mos}+I_{leak\left(em\right)}& V_{FB}<V_g\le V_{th}\\ \frac{1}{2\alpha }\frac{z}{l}\frac{{\mu }_{eff}{C}_{ox}}{1-{\alpha }_{pnp}}{(V_g-V_{th})}^2& V_{th}<V_g<V_{GE}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{I}_{leak\left(em\right)}=a·T_f\\ {\mathrm{\Delta I}}_{mos}=b·T_f\\ V_{th}=c·T_f\end{array}\right)$

其中，$\tau =\frac{q·L^2}{k·T·\mu }$

A为芯片有效面积，q为电子电荷量，n_i为本征载流子浓度，W为基区 宽度，C_ox为氧化层电容，N_B为基区掺杂浓度，T为温度，L为扩散长度，D_p为空穴扩散系数，α_pnp为PNP晶体管电流增益，μ_ns为导电沟道中电子的迁 移率，x_inv为反型层的厚度，z为反型层宽度，l为反型层长度，Q_n为反型层 中单位面积所包含的自由电子电荷，V_g为栅极电压，V_FB为平带电压，V_th为 阈值电压，V_GE为额定电压，I_mos为沟道电流，ΔI_mos为沟道电流增量记，I_leak(em)为发射极界面漏电流，T_f为IGBT已使用的时间,a、b、c分别为与应力水 平相关的系数。。

所述步骤(3)中提到的IGBT器件失效标准依据器件失效国际标准IEC 47E/114/CDV和IGBT行业通用失效标准，测试值I_leak为初始值I_leak(st)的两倍 时，即I_leak(sf)＝2·I_leak(st)时，判定为IGBT失效。

所述步骤(4)通过比较由模型计算出的IGBT已使用的时间T_f和产品 设定的使用寿命T_F，判断产品的疲劳老化进程和剩余寿命。

本发明针对IGBT器件芯片疲劳失效机理，建立了集电极漏电流健康状 态监测方法，采用所得到的健康状态监测方法，实时监控器件的健康状态。 该方法基于IGBT基本结构、半导体物理和器件可靠性物理学，通过详细分 析IGBT芯片疲劳失效机理，在研究电气特征量—集电极漏电流随疲劳老化 应力水平和施加时间变化规律的基础之上，通过将理论分析与解析描述相 结合，建立了针对IGBT芯片疲劳失效的集电极漏电流健康状态监测方法。 当IGBT器件达到失效标准，未最终丧失既定功能时，对器件进行及时更换， 确保器件安全可靠运行，避免因IGBT器件故障导致装置停机或爆炸而造成 不可挽回的重大损失。

附图说明

图1为IGBT结构示意图

图2为IGBT反偏PN结J2电场分布

图3为集电极漏电流随空穴迁移率变化规律

图4为当V_g≤V_FB时，漏电流健康状态监测方法仿真模型 (Model_Ileak_1)

图5为当V_FB<V_g≤V_th时，漏电流健康状态监测方法仿真模型 (Model_Ileak_2)

图6为当V_th<V_g<V_GE时，漏电流健康状态监测方法仿真模型 (Model_Ileak_3)

图7为IGBT漏电流健康状态监测方法仿真模型

图8为温度20℃，电压400V，IGBT未发生疲劳时，漏电流随栅极电 压变化情况的仿真结果和实验结果a

图9为温度20℃，电压400V，IGBT未发生疲劳时，漏电流随栅极电 压变化情况的仿真结果和实验结果b

图10为集射极电压400V时，不同温度下，IGBT未发生疲劳时，漏电 流随栅极电压的变化规律

图11为温度80℃时，不同电压下，IGBT未发生疲劳时，漏电流随栅 极电压的变化规律

图12为IGBT疲劳老化1200h后，在温度20℃，集射极电压400V的 条件下，漏电流随栅极电压变化规律仿真与实验结果a(A组模块)

图13为IGBT疲劳老化1200h后，在温度20℃，集射极电压400V的 条件下，漏电流随栅极电压变化规律仿真与实验结果b(B组模块)

图14为IGBT疲劳老化1200h后，在温度80℃，集射极电压600V的 条件下，漏电流随栅极电压变化规律仿真与实验结果a(A组模块)

图15为IGBT疲劳老化1200h后，在温度80℃，集射极电压600V的 条件下，漏电流随栅极电压变化规律仿真与实验结果b(B组模块)

图16为温度20℃，栅极电压4.0V时，IGBT漏电流随疲劳老化时间的 变化规律

图17为集射极电压400V，栅极电压4.0V时，IGBT漏电流随疲劳老 化时间的变化规律

图18为温度20℃，集射极电压400V时，IGBT漏电流随疲劳老化时 间的变化规律

图19基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法实施步骤流程图

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明提供了一种基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法，包括 以下步骤：

(1)安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试经检测合格 的IGBT器件的集电极漏电流，标记为初始值I_leak(st)；

(2)IGBT器件投入使用后，定期测试IGBT器件的集电极漏电流并 记录测试值I_leak；

(3)将测试值I_leak与初始值I_leak(st)进行比较，集电极漏电流在与步骤a 相同的测试条件下，集电极漏电流的测试值由初始值基础上增大一倍，则 器件失效。根据比较结果判断IGBT器件的集电极漏电流是否达到失效标 准。

(4)当集电极漏电流未达到IGBT器件失效标准时，将步骤(2)中获 得的测试值带入集电极漏电流健康状态监测方法仿真模型中，该模型参数 通过IGBT使用手册和参数提取方法获取，进而计算出IGBT器件的疲劳老 化进程与剩余寿命，实现IGBT健康状态监测；

(5)当集电极漏电流达到IGBT器件失效标准时，判定为器件失效并 对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤。

所述步骤(4)中集电极漏电流I_leak健康状态监测方法仿真模型如下式：

$I_{leak}=\left(\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{Aqn}}_i^2\sqrt{D_p}}{N_B\sqrt{{\tau }_p}}+\frac{{\mathrm{Aqn}}_{i}W}{{\tau }_{sc}}+I_{leak\left(em\right)}& V_g\le V_{FB}\\ \frac{{\mathrm{Aqn}}_i^2\sqrt{D_p}}{N_B\sqrt{{\tau }_p}}+\frac{{\mathrm{Aqn}}_{i}W}{{\tau }_{sc}}+I_{mos}+{\mathrm{\Delta I}}_{mos}+I_{leak\left(em\right)}& V_{FB}<V_g\le V_{th}\\ \frac{1}{2\alpha }\frac{z}{l}\frac{{\mu }_{eff}{C}_{ox}}{1-{\alpha }_{pnp}}{(V_g-V_{th})}^2& V_{th}<V_g<V_{GE}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{I}_{leak\left(em\right)}=a·T_f\\ {\mathrm{\Delta I}}_{mos}=b·T_f\\ V_{th}=c·T_f\end{array}\right)$

其中，$\tau =\frac{q·L^2}{k·T·\mu }$

A为芯片有效面积，q为电子电荷量，n_i为本征载流子浓度，W为基区 宽度，C_ox为氧化层电容，N_B为基区掺杂浓度，T为温度，L为扩散长度，D_p为空穴扩散系数，α_pnp为PNP晶体管电流增益，μ_ns为导电沟道中电子的迁 移率，x_inv为反型层的厚度，z为反型层宽度，l为反型层长度，Q_n为反型层 中单位面积所包含的自由电子电荷，V_g为栅极电压，V_FB为平带电压，V_th为 阈值电压，V_GE为额定电压，I_mos为沟道电流，ΔI_mos为沟道电流增量记，I_leak(em)为发射极界面漏电流，T_f为IGBT已使用的时间,,a、b、c分别为与应力水 平相关的系数。

步骤d通过比较由模型计算出的为IGBT已使用的时间T_f和产品设定的 IGBT使用寿命T_F，判断产品的疲劳老化进程和剩余寿命。

上述仿真模型的推演过程如下：

当栅极电压小于等于平带电压V_g≤V_FB时，Si表面没有电子出现，IGBT 集电极漏电流等于反偏PN结产生的漏电流。由于反偏压在空间电荷区中产 生的电场与内部自建电场方向一致，因而使空间电荷区展宽，且主要向低 掺杂一侧展宽，如图1所示。当IGBT集射极之间施加正向偏压时，J2反 偏，几乎承受集射极之间的全部电压，向低掺杂一侧N-基区展宽。J2电场 分布，如图2所示。

当IGBT产生疲劳后，芯片硅材料发生疲劳，载流子迁移率减小。并且 IGBT经过电热应力冲击疲劳后，发射极界面发生疲劳，产生漏电流，记为 I_leak(em)，随着疲劳程度的加剧，发射极界面漏电流I_leak(em)逐渐增大。因此， 当IGBT产生疲劳后，栅极电压V_g小于等于平带电压V_FB时，集电极漏电流 应表示为式(1)。

$I_{leak}=\frac{{\mathrm{Aqn}}_i^2\sqrt{D_p}}{N_B\sqrt{{\tau }_p}}+\frac{{\mathrm{Aqn}}_{i}W}{{\tau }_{sc}}+I_{leak\left(em\right)}---\left(1\right)$

$L=\sqrt{D·\tau }---\left(2\right)$

$D=\frac{kT}{q}·\mu ---\left(3\right)$

根据扩散长度和扩散系数表达式(2)和(3)，可以得出载流子寿命与 载流子迁移率之间的关系式(4)。

$\tau =\frac{q·L^2}{k·T·\mu }---\left(4\right)$

根据扩散系数表达式(3)可知，载流子迁移率减小，扩散系数随之减 小。根据载流子寿命与迁移率表达式(4)可知，当扩散长度和温度保持不 变时，随着载流子迁移率减小，载流子寿命逐渐增大，即载流子寿命与载 流子迁移率成反比关系。因此，得出随着IGBT疲劳程度不断加剧，集电极 漏电流表达式(1)中第一项扩散电流和第二项产生电流减小。采用模型(1) 仿真得到集电极漏电流随空穴迁移率变化规律，如图3所示。可以看出， 漏电流随空穴迁移率减小而减小，并且迁移率由406.9cm2/Vs减小到288.5 cm2/Vs时，漏电流由10.7×10-9A减小到0.3×10-9A，减小了10.4×10-3 μA。而第三项发射极界面漏电流，则随IGBT疲劳程度的加剧，不断增大。

根据半导体物理与集电极漏电流产生机理，建立了栅极电压V_g小于等 于平带电压V_FB时，漏电流健康状态监测方法仿真模型，记为Model_Ileak_1， 如图4所示。其中，黑色加粗部分为IGBT发生疲劳后，发射极界面漏电流 I_leak(em)，其大小取决于发射极界面发生疲劳的程度。IGBT未发生疲劳时， 该项为零。

当栅极电压大于平带电压小于等于阈值电压V_FB＜V_g≤V_th，且 φ_FB＜V_s≤2φ_FB时，Si表面多子空穴减小，少子电荷电子开始出现，形成弱反 型层。这时，IGBT集电极漏电流等于反偏PN结产生的漏电流与沟道电流 之和，如式(5)所示。

$I_{leak}=\frac{{\mathrm{Aqn}}_i^2\sqrt{D_p}}{N_B\sqrt{{\tau }_p}}+\frac{{\mathrm{Aqn}}_{i}W}{{\tau }_{sc}}+I_{mos}---\left(5\right)$

IGBT沟道电阻R_ch表达式，如式(6)所示。

$R_{ch}=\frac{L}{{\mathrm{Z\mu }}_n{C}_{OX}(V_{th}-V_g)}---\left(6\right)$

所以，弱反型阶段IGBT沟道电流为

$I_{mos}=\frac{V_g-V_{FB}}{R_{ch}}=\frac{(V_g-V_{FB}){\mathrm{Z\mu }}_n{C}_{OX}(V_{th}-V_g)}{L}---\left(7\right)$

当IGBT发生疲劳后，栅极界面态发生变化，与界面态相关的栅极参数 均发生变化。通过式(6)可以看出，沟道电阻R_ch与阈值电压V_th有关。因此， 根据IGBT栅极界面发生疲劳后，阈值电压增大，进而通过式(6)和(7) 可以得出，沟道电阻减小，栅极沟道弱反型阶段，沟道电流I_mos随疲劳程度 的增大逐渐增大，增量记为ΔI_mos。并且发射极界面疲劳，会引入发射极界 面漏电流I_leak(em)。因此，当IGBT发生疲劳后，栅极处于弱反型阶段时，集 电极漏电流如式(8)所示。

$I_{leak}=\frac{{\mathrm{Aqn}}_i^2\sqrt{D_p}}{N_B\sqrt{{\tau }_p}}+\frac{{\mathrm{Aqn}}_{i}W}{{\tau }_{sc}}+I_{mos}+{\mathrm{\Delta I}}_{mos}+I_{leak\left(em\right)}---\left(8\right)$

根据半导体物理与集电极漏电流产生机理，建立了栅极电压大于平带 电压小于等于阈值电压时，集电极漏电流健康状态监测方法仿真模型，记 为Model_Ileak_2，如图5所示。黑色加粗实线部分为IGBT发生疲劳后， 沟道电流的增量ΔI_mos，其大小取决于栅极界面发生疲劳的程度；黑色加粗 虚线部分为IGBT发生疲劳后，集电极漏电流模型(Model_Ileak_1)中发 射极界面漏电流I_leak(em)，其大小取决于发射极界面发生疲劳的程度。IGBT 未发生疲劳时，这两项均为零。

当栅极电压大于阈值电压小于额定电压V_th＜V_g＜V_GE时，Si表面多子空穴 消失，少子电荷电子增多，形成强反型层，但IGBT仍未完全导通。这时， 流经栅极沟道的电子电流取决于V_g。IGBT集电极漏电流可以表示为，

$I_{leak}=I_C=\frac{z}{l}\frac{{\mu }_{eff}{C}_{ox}}{1-{\alpha }_{pnp}}(V_g-V_{th})V_{ch}---\left(9\right)$

当沟道电压超过V_GE-V_th时，V_ch＝(V_GE-V_th)/2α，集电极电流饱和，可以 表示为，

$I_{leak}=I_C=\frac{1}{2\alpha }\frac{z}{l}\frac{{\mu }_{eff}{C}_{ox}}{1-{\alpha }_{pnp}}{(V_g-V_{th})}^2---\left(10\right)$

${\mu }_{eff}=\frac{e}{Q_n}{\int }_0^{x_{inv}}{\mu }_{ns}\left(x\right)n\left(x\right)dx---\left(11\right)$

$Q_n=e{\int }_0^{x_{inv}}n\left(x\right)dx---\left(12\right)$

其中，α_pnp为PNP晶体管电流增益，μ_ns为导电沟道中电子的迁移率，x_inv为反型层的厚度，z为反型层宽度，l为反型层长度，Q_n为反型层中单位面 积所包含的自由电子电荷。

当IGBT发生疲劳后，阈值电压V_th增大，通过式(9)可以看出，集电 极漏电流减小。根据半导体物理与集电极漏电流产生机理，建立了栅极电 压V_g大于阈值电压小于额定电压，V_th＜V_g＜V_GE时，集电极漏电流健康状态监 测方法仿真模型，记为Model_Ileak_3，如图6所示。

当IGBT发生疲劳后，栅极界面、发射极界面、基区硅材料发生疲劳， 进而导致漏电流发生变化。IGBT集电极漏电流产生机理及模式如表1所示。 其中，○表示栅极电压所处阶段，该部分不产生漏电流，◎表示栅极电压 所处阶段，该部分漏电流远小于集电极漏电流，可以忽略不计，●表示栅 极电压所处阶段，该部分漏电流是集电极漏电流的主要组成部分。

表1IGBT漏电流产生机理及模式

当栅极电压Vg小于等于平带电压VFB时，栅极表面多子空穴积累， 沟道截止，漏电流由发射极界面漏电流和反偏PN结漏电流组成。当栅极电 压Vg大于平带电压VFB，小于等于阈值电压Vth时，栅极沟道处于弱反 型状态，漏电流由栅极沟道电流、发射极界面漏电流和反偏PN结漏电流组 成。当栅极电压Vg大于阈值电压Vth，小于开启电压VGE时，栅极沟道 导通，但尚未进入完全导通状态，漏电流由栅极沟道电流、发射极界面漏 电流和反偏PN结漏电流组成。

综上，IGBT集电极漏电流随栅极电压的变化规律，分为三个阶段：1) V_g≤V_FB阶段；2)V_FB＜V_g≤V_th，弱反型阶段；3)V_th＜V_g＜V_GE，强反型阶段。 本发明基于IGBT芯片疲劳机理，对这三个阶段，IGBT疲劳漏电流的变化 机理和规律进行了研究，并分别建立了针对不同阶段的漏电流健康状态监 测方法。基于三个阶段的漏电流健康状态监测方法，建立了完整的IGBT 漏电流健康状态监测方法，如式(13)所示。进而基于三个阶段的漏电流 健康状态监测方法仿真模型，建立了完整的IGBT漏电流健康状态监测方法 仿真模型，如图7所示，模型参数通过IGBT使用手册、参数提取方法获取。 通过该模型可以准确计算出不同疲劳程度下IGBT器件的集电极漏电流。

$I_{leak}=\left(\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{Aqn}}_i^2\sqrt{D_p}}{N_B\sqrt{{\tau }_p}}+\frac{{\mathrm{Aqn}}_{i}W}{{\tau }_{sc}}+I_{leak\left(em\right)}& V_g\le V_{FB}\\ \frac{{\mathrm{Aqn}}_i^2\sqrt{D_p}}{N_B\sqrt{{\tau }_p}}+\frac{{\mathrm{Aqn}}_{i}W}{{\tau }_{sc}}+I_{mos}+{\mathrm{\Delta I}}_{mos}+I_{leak\left(em\right)}& V_{FB}<V_g\le V_{th}\\ \frac{1}{2\alpha }\frac{z}{l}\frac{{\mu }_{eff}{C}_{ox}}{1-{\alpha }_{pnp}}{(V_g-V_{th})}^2& V_{th}<V_g<V_{GE}\end{array}\right)---\left(13\right)$

为了验证集电极漏电流健康状态监测方法的正确性，对不同栅极电压、 不同温度、不同集射极电压和不同疲劳程度下，IGBT集电极漏电流的变化 规律进行了仿真和实验研究。

(1)IGBT未发生疲劳情况下，漏电流健康状态监测方法

采用漏电流健康状态监测方法仿真模型，如图7所示，对两组IGBT 模块未发生疲劳时，漏电流的变化规律进行了研究。图8、9为温度20℃， 电压400V，两组IGBT模块未发生疲劳时，漏电流随栅极电压变化规律仿 真与实验结果。可以看出，当栅极电压小于4.0V时，漏电流增速缓慢，此 时，IGBT栅极沟道截止，沟道内无可移动的电子电荷，漏电流主要由反偏 PN结产生。当栅极电压大于4.0V时，漏电流增大的速率逐渐提高，此时， IGBT栅极沟道内形成弱反型层，漏电流由弱反型沟道电流和反偏PN结漏 电流产生。通过图8、9可知，当IGBT未发生疲劳时，漏电流健康状态监 测方法仿真与实验结果吻合良好，验证了该方法的正确性与准确性。

采用漏电流健康状态监测方法仿真模型，如图7所示，对IGBT未发生 疲劳时，漏电流的温度特性和电压特性进行了研究，图10为电压400V， 不同温度下，IGBT未发生疲劳时，漏电流随栅极电压的变化规律。可以看 出，当栅极电压和集射极电压保持不变时，随着温度的升高漏电流逐渐增 大，并且温度越高，栅极电压使漏电流快速增大的拐点越小。

图11为温度80℃，不同电压下，IGBT未发生疲劳时，漏电流随栅极 电压的变化规律。可以看出，当栅极电压和温度保持不变时，随着集射极 电压的升高漏电流逐渐增大。随着集射极电压升高，空间电荷区宽度逐渐 增大，漏电流表达式(1)第二项产生电流增大，进而导致集电极漏电流增 大。

(2)IGBT发生疲劳情况下，漏电流健康状态监测方法

采用漏电流健康状态监测方法仿真模型，如图7所示，对两组IGBT 模块发生疲劳后，不同温度、不同电压下，集电极漏电流变化规律进行了 研究，仿真与实验结果如图12-15所示。

通过图12、13可以看出，IGBT疲劳老化1200h后，温度20℃，电压 400V，漏电流随栅极电压的增大逐渐增大，Vg增大到4.0V时，漏电流为 22.8μA，且仿真与实验结果吻合良好。通过图14、15可以看出，温度80℃， 电压600V，漏电流随栅极电压的增大逐渐增大，Vg增大到4.0V时，漏电 流为5.4mA，且仿真与实验结果吻合良好。通过研究IGBT疲劳后，不同温 度，不同电压下，集电极漏电流随栅极电压的变化规律，验证了基于集电 极漏电流的IGBT健康状态监测方法的正确性与准确性。

采用漏电流健康状态监测方法仿真模型，如图7所示，对IGBT发生疲 劳后，不同温度、不同集射极电压、不同栅极电压下，集电极漏电流随疲 劳老化时间的变化规律进行了研究，如图16-18所示。

温度20℃，栅极电压4.0V，不同集射极电压下，IGBT漏电流随疲劳 老化时间的变化规律，如图16所示。可以看出，随着疲劳时间的延长，漏 电流逐渐增大，并且集射极电压越高，漏电流随疲劳时间增大的速率越大。 图17为集射极电压400V，栅极电压4.0V，不同温度下，IGBT漏电流随疲 劳老化时间的变化规律。可以看出，随着疲劳时间的延长，漏电流逐渐增 大，并且温度越高，漏电流随疲劳时间增大的速率越大。温度20℃，集射 极电压400V，不同栅极电压下，IGBT漏电流随疲劳老化时间的变化规律， 如图18所示。可以看出，随着疲劳时间的延长，漏电流逐渐增大，并且栅 极电压越高，漏电流随疲劳时间增大的速率越大。依据IGBT器件失效标准： 集电极漏电流在初始值基础上增大一倍，则在温度20℃，栅极电压4.8V， 集射极电压400V测试条件下，漏电流由初始值1300μA增大到2600μA 器件失效，即在这种应力条件下，器件运行至1200h发生失效。

综上，IGBT集电极漏电流与栅极电压、集射极电压、温度有关，并且 随着疲劳时间的延长，逐渐增大。通过漏电流测试结果可以看出，当栅极 电压为0V时，漏电流为几微安，且随疲劳时间的变化量非常微弱，不易辨 识。随着栅极电压的增大，漏电流变化量快速增大，易于辨识。所以研究 漏电流与栅极电压的关系，有助于漏电流健康状态监测方法得以实现。而 集射极电压由电网电压决定，温度由环境和电能变换装置工作状况共同决 定，所以研究漏电流与集射极电压、温度的关系，是实现IGBT漏电流在线 测量的必要条件。因此，本发明在深入分析IGBT芯片疲劳机理的基础之上， 通过研究IGBT集电极漏电流随栅极电压、集射极电压、温度和疲劳时间的 变化规律，建立了基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法，通过该方 法可以对不同疲劳程度的IGBT模块进行有效评估，为IGBT器件实现健康 状态监测与可靠性评估奠定了坚实的基础。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离 本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权 利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在 内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有 技术。