- 文献综述（或调研报告）：
- 可靠性分析
近年来，电力电子技术已经渗透到许多工业应用领域，如可再生能源、混合动力汽车、航空航天等等。在上述系统中，出于对经济或安全方面的考虑，系统的可靠性是不容忽视的问题。例如一个低可靠性的光伏发电系统将增加维护成本，在航空航天领域对安全的要求几乎是零容错等等。针对电力电子器件的可靠性问题，近些年许多方法已经被提出。现有主流的可靠性研究分为四种：(1)基于标准的可靠性评估；(2)使用额外元件，形成容错的拓扑结构；(3)预报、健康管理和状态监测；(4)使用更先进的材料设计电力电子器件[1]。
对于1、2、4来说，这些是在设计阶段去评估和提高系统的可靠性，属于离线的可靠性研究；而对于3来说，通过实时监测一些与故障相关的参数，如结温、电压、电流等，来判断器件的健康状况，从而调整系统的运行方式，如调整通过即将故障的器件的电流、调整器件的开关频率等等方式，适当延长器件寿命，最终提高整个系统的可靠性，属于在线的可靠性研究。
在实际应用中，即使是在设计阶段能够大致预测剩余寿命，由于负载的不确定性，以及预测寿命的模型存在理想的假设条件，会导致预测寿命与实际工作寿命会有很大差异。而实时监测的方法虽然不能阻止器件逐渐老化的进程，但可以通过实时改变系统运行状态来延长器件的寿命，可以适用于实际情况。
- 器件故障机理
电力电子器件一般由分立元件和功率器件模块组成。这些电力电子器件经历了热、化学、电、机械应力，并逐渐老化，直至器件故障。对于IGBT模块来说，其结构示意图如图1所示。
图1 典型IGBT模块的多层结构
硅片焊接在直接铜熔接(DCB)基板上，DCB基板提供了必要的电气隔离。DCB基板焊接在底板上，铝连接线通常用于连接不同的芯片并形成接口。IGBT模块主要的失效机理有两种：连接线故障和焊点疲劳[2]。
1) 连接线故障:连接线故障可进一步分为两种类型:连接线脱离和连接线开裂。连接线脱离的主要原因是硅和铝接口之间的热膨胀系数（CTE）不匹配。在不断引入热循环的过程中，裂纹在导线与器件之间的界面上产生并传播，最终导致了连接线的脱离。疲劳断裂是造成连接线根部断裂的主要原因。当器件遭受热循环时，连接线的位移会造成其弯曲角度的变化。由于每个芯片都使用多根连接线平行连接，所以，当一根导线断裂时，不会使整个功率模块失效。但是导线的断裂会使其他没有断裂的导线必须承受更高的电流强度，因此在焊点也就会更热，这进一步加速了老化过程。
图2 连接线故障 (a) 连接线开裂 (b) 连接线脱离
2) 焊点疲劳: 在IGBT模块中，芯片与DCB基板之间、DCB基板与底板之间有两个焊点。由于相邻层不同材料之间的CTE不匹配，焊点处遭受热机械应力，导致焊点界面出现裂纹、分层和空洞等老化现象。焊点疲劳增加了热阻，因此功率半导体器件的结温会升高，并加速连接线疲劳等其他故障现象。
图3 焊点疲劳
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