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兵工学报ACTAARMAMENTARII基于Levenberg-Marquardt优化的雷达发射机IGBT神经网络预测方法摘要：雷达发射机的健康参数预测需要完成电子元器件失效特征分析和故障征兆参数预测工作。本文以绝缘栅双极型晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）为例，结合NASA埃姆斯中心的加速退化实验数据，确定了以集电极-发射机关断电压尖峰峰值作为失效预测依据，构建了基于径向基神经网络和基于Levenberg-Marquardt优化的过程神经网络算法，实验结果表明，后者能更好的预测IGBT的性能退化趋势，具有较高的准确度，实现了IGBT健康状态的短期预测。关键词：IGBT；过程神经网络；Levenberg-MarquardtThePredictionofRadarTransmitterIGBTbased-onNeuralNetworkMethodOptimizedbyLevenberg-MarquardtAbstract:Thehealthparameterspredictionofradartransmitterneedtocompletetheanalysisofelectroniccomponentsfailurecharacteristicsandthepredictionoffaultsymptomparameters.Inthisarticle,usingtheInsulatedGateBipolarTransistor(IGBT)asanexample,thepeakofCollector-TransmittervoltageisproposedasthebasisoffailurepredictioncombiningwiththeaccelerateddegradationexperimentdatafromNASAAmes.ThenthealgorithmbasedonRBFneuralnetworkandProcessneuralnetworkoptimizedbyLevenberg-Marquardtarestudied.TheexperimentalresultsshowthatthelattermethodcanbetterpredicttheperformancedegradationtrendofIGBT,whichhashighaccuracy,andtheshort-termforecastingofIGBThealthstatuscanberealized.Keywords:IGBT;Neuralnetwork;Levenberg-Marquardt.0引言*作为雷达发射机换能装置所用的功率开关管[1]，IGBT（即绝缘栅双极型晶体管）是由BJT（双极型三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR（电子晶体管）的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统。目前，IGBT广泛应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路等民用领域，而且在航空、航天等军事领域也拥有广阔的发展前景。雷达发射机的健康参数预测需要完成电子器件失效特征分析和故障征兆参数预测工作，IGBT作为雷达发射机的开关电源，具有可靠的失效预兆特征，因此选取其作为雷达发射机的健康状态预测参数具有较好的代表性。随着IGBT的广泛应用，人们对其可维护性的要求也越来越高。在电力电子设备中因对IGBT的使用不当、或者时间长久导致老化等各种原因都会使器件失效而发生损坏。尤其是器件的突发性损坏，轻则造成设备严重故障，重则造成企业停工停产，甚至造成严重、灾难性的事故[2,3]。因此，研究IGBT的健康状态问题，对于雷达装备电子器件的可靠运行和安全生产无疑具有十分重要的意义。1IGBT结构与基本原理1.1IGBT结构IGBT作为中高功率电子器件，主要是以垂直结构进行集成。而按照其构成沟道材料的不同，又可以分为P型沟道和N型沟道IGBT。本节以垂直型N沟道IGBT来说明其基本结构和基本原理[4]。兵工学报图1N沟道IGBT结构示意图IGBT的主要端口有栅极G（又称门极）、集电极C和发射极E，是三端器件。图1（a）给出了由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。在结构上较类似于MOSFET，不同之处是在VDMOSFET的N+区（MOSFET的漏极）上增加了一个P+注入区（IGBT的集电极），形成了四层结构，相当于PNP-NPN达林顿结构，并因此而形成了一个面积较大的P+N结J1。这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。1.2IGBT基本原理N沟型的IGBT工作是通过栅极－发射极间加阀值电压VTH以上的（正）电压，在栅极电极正下方的P层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的N-层注入电子。该电子为P+N-P晶体管的少数载流子，从集电极衬底P+层开始流入空穴，进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极－发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图1（b）所示，IGBT的符号如图1（c）所示。IGBT基本的工作状态主要包括导通、关断等。导通是指在半导体层次内出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET电流)；空穴电流（双极）。UGE大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。关断是指栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。此外IGBT的工作状态还包括正向阻断、反向阻断等。2IGBT失效机理实际应用中，IGBT与二极管硅芯片大多经专门结构封装在标准模块之中并构成具备独立功能的换流电路，其失效是与其动态特性相关的复杂过程，涉及热、电、机械等多方面因素。国内外相关机构已经对IGBT的失效机理进行了研究[5,6]，根据失效原因，大致可把功率模块失效方式分为与封装以及与芯片相关的失效。几种典型失效情况包括：2.1与芯片相关的失效作为功率模块的核心，半导体芯片失效是造成模块故障的最终原因。任何失效机理大多有一个积累与发展的过程，这为状态监测技术的实施提供了可能。与芯片相关的失效主要包括[7,8]：电气过应力（EOS）。通常与过电压和过电流有关。其中高电压状态下的热效应及一些功率器件中二次击穿是需要关注的问题。为此要在功率器件应用中充分考虑散热要求，确保功率器件在安全工作区中运行。另外电压上升过快会产生很大的位移电流，可能使IGBT误触发造成短路而失效。静电荷放电（ESD）。ESD可能局部刺穿栅极氧化层，这使得器件可能通过产品检验并在运行一段时间后才产生失效。如果栅极缺乏适当保护电路，在过高电压作用下可能会引起静电荷放电导致栅极短路而失效。对于局部栅极失效，可通过测量栅极充电衰减时间常数的方法进行检测。擎住效应和触发寄生晶体管。关断过程中过大电压变化率可能触发IGBT内部寄生晶闸管或MOSFET内寄生双极性晶体管从而产生擎住效应造成功率器件短路。尽管通过半导体优化设计该问题已得到很大改善，但监测并限制反向偏置安全工作区最大电压上升率对避免擎住效应仍然很重要。电荷效应（离子污染和热载流子注入）。前者是由于高电场区离子污染的积累作用而导致电场变形，后者是由栅极氧化层缺陷增长引起的。这两种失效机理会导致器件外部特性，如栅极阀值电压，漏电流，跨导或者饱和电流等发生变化并最终导致器件失效。2.2与封装相关的失效IGBT功率模块的多层结构及不同材料间热膨胀系数的不匹配导致其在长期热循环冲击作用下引起其焊接材料的疲劳与老化，并最终造成器件因芯片引线断裂或温度增加而失效。与封装相关的失效主要包括阴线脱落失效和焊接层疲劳失效，一般是物理层面的损伤，是一种瞬态失效，没有持续的性能退化特征，无法找到匹配的失效参数[9]。3IGBT加速退化实验分析3.1IGBT实验数据分析本文所采用的数据来源于NASAPCoE研究中心，我们将结合NASA加速老化实验采集的数据，兵工学报通过几种改进的人工神经网络算法对IGBT的健康状态进行预测。从而更深刻的刻画IGBT的退化失效特征。图2NASAIGBT相关数据示意图NASA的数据集以Matlab的标准格式*.Mat文件提供，IGBT的数据共分为4个文件夹，分别为：（1）新设备的源测量单元（SMUDatafornewdevices）：这个文件包含40组在原始条件下获得的电气特性数据，包括20组MOSFETSIRG520Npbf和20组IGBTSIRG4BC30K。参数特征是阀值电压、击穿电压和泄漏电压等。（2）在直流门电压下的加速热老化实验（ThermaloverstressagingwithDCgatevoltage）：这个文件包含一组在直流门电压的下的加速热老化实验数据，实验持续大致4个小时，采集的数据点有30万个，直至出现失效模式擎住现象实验才终止。（3）在方波门电压下的加速热老化实验（ThermalOverstressAgingwithSquareSignalatgate）：这个文件包含一组在方波门电压下的加速热老化实验数据，除了低速测量之外，还包括了开关设备的瞬态特性的高分辨率数据，这在NASA的国际测试会议论文里以“瞬态测量”来表示[10]。（4）在方波门电压和源测量单元下的热加速老化数据（ThermalOverstressAgingwithSquareSignalatgateandSMUdata）：其中文件夹“老化数据”包含4组送往意大利帕瓦多大学的设备采集的数据，文件夹“源测量单元参数表征”包含通过一个源测量单元得到的参数表征数据，这些参数是阀值电压、关断电流、泄露电流等。需要特别注意的是，在设备老化过程中经历了几个问题，结果很多瞬态测量值丢失了；另外集电极电流的测量是不准确的，有600mA的漂移；最后，稳态测量值也不是非常精确。以上分析即为NASA相关数据的情况。由于正常条件下IGBT作为雷达发射机开关使用，其加载的信号为PWM信号，方波门电压可以很好的模拟这种信号，所以这里我们只采用第三个文件夹的数据，即“在方波门电压下的加速热老化实验”条件下采集的数据，并进行IGBT的健康状态预测。3.2IGBT退化特征选取同大多数电子元器件一样，IGBT的寿命周期时间跨度大，而且其早期失效的特征不明显，实际运行环境下的数据采集亦比较困难。虽然有相关的对IGBT失效物理机理的相关分析，但是从工程应用的状态监测层面上实现其基于健康状态参数的健康表征和状态预测尚缺乏相关理论与技术研究。IGBT的健康监测数据采集比较困难，通常采取的方式是采用加载超过额定工作范围的负载或者利用频繁的热应力循环加速其性能退化过程。相关研究利用不同的加速退化测试平台模拟了IGBT的不同工作环境并测定了其瞬态、稳态性质。如实验前后的电子特性测试当中IGBT的瞬态电容特性、导通电压特性曲线出现了较为明显的偏移。这些变化趋势往往和IGBT的某些硬件损伤和损耗有着直接的联系，如焊脚老化、MOSFET氧化膜损耗等。IGBT的失效模式多为出现擎住现象（Latch-Up），即IGBT绝大部分的失效表现为其产生过压击穿并一直处于导通状态，从而使其栅极控制信号无效化，这已在上节中有所讲述。IGBT在雷达发射机的使用中持续受到制冷装置的冷却作用，因而可认为对IGBT的退化起主导作用的是频繁开关的电流冲击效应。通过对雷达脉冲调制信号进行分析可得知，雷达发射机调制信号矩形波信号即脉冲宽度调制信号（PulseWidthModulation，PWM）。IGBT在过温条件下加载PWM信号的加速退化模拟试验中，其瞬态和稳态特性表现出了与其他实验环境不同的变化趋势。在IGBT的性能加速退化试