国家能源战略的实施,促使多种新能源技术蓬勃发展,如电动汽车、列车牵引、航空电源、太阳能发电等,其中核心技术就是能量转换,而通常电力电子装置则是实现这些新技术的载体,因此装置的可靠性至关重要,因为一旦系统发生故障,且未能快速有效地监测故障并采取措施,便可能会造成重大损失。相关统计研究发现,影响电力电子系统可靠性的最主要组成部分之一就是功率器件,所以关于功率器件可靠性的研究课题已经成为研究的重点和热点。目前,国内外多以基于模型的仿真分析方法进行失效研究和状态监测。本课题则以典型IGBT功率模块为研究对象,通过实验从模块结构、温度特性、器件端部外特性以及状态监测方面进行研究,具体内容如下:①针对典型IGBT功率模块,从机械结构和物理结构入手,重点以热损伤理论分析模块的失效机理,主要包括:焊料层损伤失效机理和键合线故障失效机理。基于失效机理的分析,进一步探究IGBT功率模块的键合线故障,包括故障原因、故障特征、故障影响和键合线状态监测。②温度是造成键合线脱落故障的主要原因,也是键合线故障后最明显的故障特征,因此本研究通过对比实验,全面分析温度、稳态热阻抗与键合线状态的关系。③通过监测IGBT功率模块的键合线状态可以有效提高电力电子系统的可靠性,因此论文重点抓住键合线故障对模块内部寄生电容Cge和Cgc的影响,研究得出器件端部外特性Vge与键合线状态的关系,最后提出基于温度和Vge的键合线状态监测方案。研究表明:芯片表面结温和芯片中心对应于底板的温度均与键合线脱落根数落呈线性关系;键合线脱落故障不会造成模块的层结构损伤而使芯片到底板的稳态热阻抗增大。本文所提出的基于温度和Vge的键合线状态监测方案尽管精确度仍需提高,但是该方案无需拆封IGBT模块、电路结构简单、安全性高、成本低,具有较高的工程适用性。本文在理论和实验两个方面都做了研究,尤其是通过大量对比实验得出的键合线故障特征对于后续实现系统的故障诊断和状态监测具有重要的参考价值,同时所用到的实验原理和研究方法对于研究其他功率器件的可靠性也具有参考作用。