IGBT門氧層老化故障模擬及其對(duì)開通特性的影響

張忻庾，向大為，鐘響

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種全控型電力電子器件，具有驅(qū)動(dòng)簡單、開關(guān)頻率高、容量大等優(yōu)點(diǎn)。IGBT作為中大功率變換器的核心器件，廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、柔性直流輸電、軌道機(jī)車牽引、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)以及航空航天等重要領(lǐng)域[1]。然而，由于IGBT通常運(yùn)行在高電壓、大電流以及高頻高速開關(guān)的惡劣環(huán)境下，其封裝結(jié)構(gòu)與芯片本體往往會(huì)逐漸老化，最終導(dǎo)致IGBT完全失效甚至造成災(zāi)難性后果或重大經(jīng)濟(jì)損失與嚴(yán)重社會(huì)影響。研究IGBT失效機(jī)理及其特性可為IGBT健康狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)診斷提供依據(jù)，相關(guān)工作具有重要理論意義與工程價(jià)值。

目前，國內(nèi)外研究的IGBT狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)診斷技術(shù)可大致歸納為三種方法：基于模型的方法、基于器件參數(shù)監(jiān)測的方法以及基于變流器系統(tǒng)變量檢測的方法。基于模型的方法根據(jù)器件可靠性模型，利用器件結(jié)溫變化的歷史過程對(duì)模塊壽命進(jìn)行預(yù)測。通過對(duì)器件可靠性模型進(jìn)行大量研究（如Arrhenius 模型、Coffin-Manson 模型等[2]），并利用典型運(yùn)行工況對(duì)器件設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行核算，Bryant、Musallam等[3-4]將該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際運(yùn)行的變流器系統(tǒng)中，在運(yùn)行工況不斷變化的條件下進(jìn)行“在線”壽命預(yù)計(jì)。文獻(xiàn)[5]通過電熱仿真研究了系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)對(duì)于發(fā)電機(jī)PWM諧波以及變流器功率器件結(jié)溫的影響；基于器件參數(shù)監(jiān)測的預(yù)診斷方法對(duì)功率器件通態(tài)電壓Vce(on)、閾值電壓Vth、電流變化率di/dt等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，一旦參數(shù)變化超過一定臨界值就表明出現(xiàn)老化或者故障。Brown等[6]將IGBT關(guān)斷時(shí)間作為診斷閂鎖失效的故障特征變量，在此基礎(chǔ)上提出計(jì)及溫度影響的IGBT閂鎖故障預(yù)診斷指標(biāo)。Oukaoura[7]利用IGBT 通態(tài)電壓與結(jié)溫監(jiān)測數(shù)據(jù)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立器件模型，并通過實(shí)驗(yàn)成功識(shí)別出故障與健康器件。文獻(xiàn)[8]介紹了一種PWM變流器現(xiàn)場雙脈沖測試的方法，現(xiàn)場測試?yán)米冾l器停機(jī)間隙和電容儲(chǔ)能對(duì)電機(jī)繞組放電進(jìn)行測試,無需額外增加硬件；基于變流器系統(tǒng)變量檢測的方法利用現(xiàn)成可測的變流器系統(tǒng)變量（散熱器溫度、輸出電壓/電流諧波）對(duì)器件運(yùn)行健康狀態(tài)進(jìn)行檢測。

如圖1所示，IGBT的門氧層是一層實(shí)現(xiàn)門極與發(fā)射極電氣絕緣的二氧化硅薄膜。由于門氧層很薄且擊穿電壓較低，因此是IGBT芯片中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。門氧層老化是一種常見的IGBT芯片類故障，但現(xiàn)有技術(shù)對(duì)其研究尚不夠充分。Patil[9]通過IGBT加速疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)門氧層老化會(huì)引起閥值電壓增加。文獻(xiàn)[10]指出，門氧層老化會(huì)在電介質(zhì)中形成導(dǎo)電通路，從而引起IGBT泄漏電流的增加。Chen等[11]通過設(shè)計(jì)一種新型的智能門極驅(qū)動(dòng)電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT門氧層老化故障的診斷。文獻(xiàn)[12]中提出了一種基于FPGA的先進(jìn)門極驅(qū)動(dòng)器用，通過測量通態(tài)門極電壓、門極開通電荷等物理量，實(shí)現(xiàn)門氧層老化故障的診斷。由于現(xiàn)有技術(shù)均需要對(duì)變流器的門極驅(qū)動(dòng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與調(diào)整，可能會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本。

為深入理解IGBT 的門氧層老化故障，論文開展了相關(guān)研究。首先對(duì)IGBT門氧層老化的機(jī)理進(jìn)行討論；然后分析了IGBT門氧層老化故障對(duì)IGBT開通特性的影響；接下來研究IGBT門氧層老化故障的模擬方法；最后，通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證IGBT門氧層老化故障對(duì)其開通特性的影響。論文工作可為研發(fā)IGBT門氧層老化故障預(yù)診斷技術(shù)提供一定參考。

1 IGBT門氧層老化機(jī)理

IGBT門氧層老化的主要機(jī)理包括經(jīng)時(shí)擊穿（time dependent dielectric breakdown-TDDB）與熱載流子注入（hot carrier injection-HCI）。

圖1 IGBT結(jié)構(gòu)Fig.1 IGBT structure

1.1 經(jīng)時(shí)擊穿（TDDB）

經(jīng)時(shí)擊穿（TDDB）是指當(dāng)施加在MOS柵氧化層上的電場低于其本征擊穿場強(qiáng)時(shí)，并未引起本征擊穿，但經(jīng)歷一定時(shí)間后柵氧化層發(fā)生了擊穿。TDDB是威脅器件和系統(tǒng)的壽命和長期工作可靠性的主要失效機(jī)制。當(dāng)恒定電壓施加在IGBT內(nèi)部MOS柵氧化層，氧化物的持續(xù)老化會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)電通路，從而使得器件失去控制并擊穿短路。這一過程會(huì)隨著IGBT門極氧化層的厚度減小而急劇惡化。

經(jīng)時(shí)擊穿通常分為兩個(gè)發(fā)展階段[13]。在第一階段中，全新的IGBT門氧層的陷落電荷密度很低，但直接隧穿電流會(huì)在電介質(zhì)中產(chǎn)生中性缺陷。這些缺陷導(dǎo)致的陷阱輔助隧穿會(huì)對(duì)門氧層產(chǎn)生兩種影響。首先，現(xiàn)有的缺陷會(huì)捕獲到電荷，其外部特性表現(xiàn)為器件的閾值電壓與泄漏電流發(fā)生變化；其次，在氧化層內(nèi)產(chǎn)生新缺陷。因此，IGBT門氧層由于分布在其內(nèi)部或者表面的捕獲空穴或電子而遭到破壞。在第二階段中，氧化層內(nèi)的陷落電荷密度逐漸升高，最終在氧化層內(nèi)形成導(dǎo)電通路將MOS柵極與源極短路，最終導(dǎo)致IGBT的門極失效。

氧化層內(nèi)產(chǎn)生的導(dǎo)電通路會(huì)導(dǎo)致兩種不同的失效類型。一旦形成導(dǎo)電通路，其流過的電流會(huì)急劇提高損耗，繼而產(chǎn)生局部熱點(diǎn)。如果IGBT依然繼續(xù)運(yùn)行，則結(jié)果為軟擊穿；若門極由于氧化物層局部融化而失效，則為硬擊穿。對(duì)于軟擊穿，雖然IGBT閾值電壓與泄漏電流的變化幅度不大并且不會(huì)嚴(yán)重影響器件運(yùn)行，但其效果會(huì)隨時(shí)間或者老化個(gè)體數(shù)目而積累，最終導(dǎo)致器件完全失效[14]。

1.2 熱載流子注入（HCI）

熱載流子注入（HCI）誘生的MOS器件老化是由于高能量的電子和空穴注入柵氧化層引起的，注入的過程中會(huì)產(chǎn)生界面態(tài)和氧化層陷落電荷，造成氧化層的損傷。熱載流子注入發(fā)生概率直接取決于溝道長度、氧化層厚度與器件的運(yùn)行電壓。當(dāng)流經(jīng)溝道的漏源電流獲得的能量高于晶格溫度，就會(huì)產(chǎn)生熱載流子。對(duì)于尺寸很小的器件，即使在不很高的電壓下，也可產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，從而易于導(dǎo)致出現(xiàn)熱載流子。這些熱載流子具有足夠的能量，從而被射入門氧層，導(dǎo)致電荷陷落與界面態(tài)。后者會(huì)使IGBT的外部特性（例如閾值電壓、跨導(dǎo)與漏電流等）發(fā)生變化，并隨著損傷程度的增加最終引起器件失效。射入的載流子通常會(huì)引起三種主要的損傷形式：先前存在的陷阱捕獲到空穴或者電子、形成新的電荷陷阱以及形成界面陷阱[15]。這些陷阱是根據(jù)其分布位置確定的，并且其影響不同。界面陷阱位于Si與SiO2的交界面，直接影響到跨導(dǎo)、泄漏電流與噪音水平。氧化層陷阱分布位置離交界面較遠(yuǎn)，會(huì)影響到閾值電壓[16]。

2 IGBT門氧層老化對(duì)開通特性的影響

2.1 IGBT開通過程分析

如圖2 所示的IGBT等效模型，IGBT在結(jié)構(gòu)上可近似等效為基極電流由MOSFET提供的晶體管。其中CGE為輸入電容，CGC為米勒電容，CCE為輸出電容，均為可變電容。針對(duì)IGBT門氧層老化對(duì)開通特性的影響，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)米勒電容CGC進(jìn)行分析。根據(jù)IGBT芯片結(jié)構(gòu)，米勒電容是由IGBT的基區(qū)耗盡層電容Cdep與MOS氧化層電容COX串聯(lián)組成，兩者由如下公式確定：

其中，A為芯片總面積，αi為氧化層面積交疊比例，tox為氧化層厚度，εox為氧化物介電常數(shù)，εsi為硅介電常數(shù)，q為元電荷，NB為基區(qū)摻雜濃度?？梢姡珻dep及CGC均與VCE成負(fù)關(guān)系。

圖2 IGBT等效模型Fig.2 IGBT equivalent model

如圖3所示，在箝位感性負(fù)載條件下典型的IGBT開通過程可分為以下四個(gè)階段。

階段一（t0＜t＜t1）：在t0時(shí)刻，IGBT 門極電容開始充電，門極電壓VGE(t)按指數(shù)規(guī)律上升并在t1時(shí)刻到達(dá)閾值電壓VTH，IGBT門極溝道導(dǎo)通。

階段二（t1＜t＜t2）： 集電極電流iC(t)開始增大但集射極電壓VCE(t)保持不變。在達(dá)到負(fù)載電流之前，可認(rèn)為IGBT集電極電流近似線性增大[17]。實(shí)際系統(tǒng)中主回路存在雜散電感LS。在集電極電流上升過程中，二極管尚未建壓（其通態(tài)壓降可忽略不計(jì)），因此IGBT集射極電壓可由VCE'=VDC-LsdiC/dt確定。在t1，時(shí)刻，集電極電流到達(dá)負(fù)載電流IL后，續(xù)流二極管的開始反向恢復(fù)，集電極電流繼續(xù)增大。由于IGBT的實(shí)際集射極間電壓并沒有下降，因此內(nèi)部耗盡層尚未開始收縮，米勒電容依然保持較小值。Vge(t)仍按指數(shù)規(guī)律上升并超過米勒電壓VGP。在t2時(shí)刻，二極管反向恢復(fù)電流達(dá)到最大。

階段三（t2＜t＜t3）：在t2時(shí)刻后，IGBT集電極電流開始下降，續(xù)流二極管開始建壓，因此IGBT集射極電壓開始下降，同時(shí)米勒電容迅速增大，門極電流iG(t)為CGE放電，為CCE充電，引起米勒效應(yīng)。從t2時(shí)刻到t2'時(shí)刻，門極電壓降至米勒電壓VGP，門極電流增大，從而導(dǎo)致VCE(t)以極快的速度下降（具體過程如下文（3）～（5）式分析）。在t2'時(shí)刻之后，門極電流iG(t)增大到IGP為米勒電容充電，門極電壓VCE(t)維持在米勒電壓（VGP）。此時(shí)，IGBT集射極電壓緩慢下降。

階 段 四（t3＜t＜t4）： 當(dāng) IGBT 集 射 極 電 壓VCE(t)下降到通態(tài)壓降后，米勒電容不再變化，米勒效應(yīng)結(jié)束，門極電流iG(t)給輸入電容與米勒電容充電。VGE(t)按指數(shù)規(guī)律上升直到門極供電電壓VGE,ON。至此IGBT開通過程結(jié)束。

圖3 典型的IGBT開通過程（箝位感性負(fù)載）Fig.3 Turn-on characteristics of IGBT in a clamped inductive load circuit

根據(jù)圖2所示的IGBT等效模型，門極電流可根據(jù)公式（3）得出：

在第三階段t2-t2'時(shí)刻間，門極電流增大并導(dǎo)致IGBT集射極電壓迅速減小。由于此時(shí)CGC＞＞CGE，d VCE(t)/d t＞＞d VGE(t)/d t， 公 式(3)等號(hào)右側(cè)前兩項(xiàng)可近似忽略，則集射極電壓VCE(t)的變化率為：

在第三階段t2'-t3中，由于門極電流只給米勒電容充電且門極電壓維持在米勒平臺(tái)不變，則集射極電壓VCE(t)的變化率為：

其中米勒電容CGC(vce)可用在第三階段中的平均值CGC,AVE代替。則第三階段IGBT集射極電壓與時(shí)間的關(guān)系可以近似線性表示為：

2.2 IGBT門氧層老化對(duì)開通特性的影響

論文采用電壓下降時(shí)間tvf（IGBT集射極電壓從90%VDC下降到10%VDC，如圖3所示）表征IGBT的開通特性，即近似為t2'-t1。當(dāng)t1＜t＜ t1，集電極電流由零近似線性增大到負(fù)載電流IL，且dIC/dt=(VDCVCE)/Ls。由此可得，tirise= t1'- t1=ILLS/（VDC-VCE），與IGBT的門極特性無關(guān)。當(dāng)t1，＜t＜t2，此階段時(shí)間tREV取決于續(xù)流二極管的特性，與IGBT的門氧層老化故障無關(guān)。當(dāng)t2＜t＜t2’，此階段時(shí)間和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)與門氧化層老化情況均有關(guān)系，在二極管狀態(tài)不變的前提下，當(dāng)門氧化層發(fā)生故障時(shí)，該時(shí)間會(huì)發(fā)生變化。在此階段，集射極電壓VCE從VCE’下降到VCE,ON，由公式（6）可得

綜上可得，tvf= tirise+trev+tgp。

如圖4所示，當(dāng)IGBT門氧層發(fā)生老化時(shí)，氧化層內(nèi)部形成導(dǎo)電通路，一部分電荷會(huì)經(jīng)其由門極流向發(fā)射極，可以等效為在IGBT的門極與發(fā)射極間并聯(lián)一個(gè)電阻Rleak，流過的電流即為泄漏電流ileak。在第三階段時(shí)，真正流進(jìn)IGBT門極的電流IGP從（VGE,ON-VGP）/RG減小到（VGE,ONVGP）/RG-VGP/ Rleak。由公式（7）可知，IGP的降低會(huì)增大時(shí)間tgp，從而增長電壓下降時(shí)間tvf，減慢IGBT開通速度從而改變IGBT開通特性。

圖4 IGBT門極老化等效電路Fig.4 Equivalent circuit of IGBT gate aging

3 IGBT門氧層老化模擬方法

Patil等[9]通過IGBT加速疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)門氧層老化會(huì)引起閥值電壓增加。文獻(xiàn)[10]指出，門氧層老化會(huì)在電介質(zhì)中形成導(dǎo)電通路，從而引起IGBT泄漏電流的增加。因此設(shè)法增加IGBT的閾值電壓與泄漏電流均可模擬門極氧化層發(fā)生老化。但考慮到門氧層老化模擬的便捷性與有效性，采用在IGBT的門極與發(fā)射極間并聯(lián)電阻Rsim，人為產(chǎn)生由IGBT門氧層老化引起的泄漏電流，如圖5所示。Rsim電阻值越小，其模擬的門氧層老化情況則越嚴(yán)重。需要注意的是，在進(jìn)行老化模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)需要根據(jù)器件參數(shù)設(shè)定Rsim的最小值，避免產(chǎn)生的泄漏電流過大導(dǎo)致正常的IGBT失去控制從而引發(fā)系統(tǒng)故障。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證論文理論分析的正確性，搭建了如圖6所示的感性負(fù)載H橋測試電路。被測IGBT模塊為英飛凌公司的FF50R12RT4(1200V/50A)，負(fù)載電感為8 mH，直流母線電壓600 V。采用雙脈沖實(shí)驗(yàn)，控制被測IGBT開通電流為18 A，被測IGBT的門極與發(fā)射極間依次不并聯(lián)電阻、并聯(lián)180 Ω電阻和并聯(lián)112 Ω電阻模擬不同的門氧層老化程度，記錄被測IGBT開通的集射極電壓、集電極電流與門極電壓波形。其中，示波器型號(hào)為RIGOL-DS1104示波器，帶寬100 MHz、采樣率為250 MSa/s 。電流探頭為Cybertek CP8030B，帶寬50 MHz，精度2%。高壓差分電壓探頭為Cybertek DP6130A，帶寬100 MHz，精度為2%。實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

圖6 實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)Fig.6 Experiment test platform

在三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，當(dāng)被測IGBT門極與發(fā)射極間無并聯(lián)電阻時(shí)，代表IGBT門氧層尚未發(fā)生老化，因此泄漏電流極小，電壓上升時(shí)間最短；當(dāng)被測IGBT門極與發(fā)射極間并聯(lián)112 Ω電阻時(shí)，代表IGBT門氧層老化程度最嚴(yán)重，因此泄漏電流最大，同時(shí)電壓上升時(shí)間最長。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文的理論分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了當(dāng)IGBT發(fā)生門氧層老化故障，其電壓上升時(shí)間會(huì)變長，開通速度減慢，開通特性發(fā)生變化。反之，在IGBT工況沒有發(fā)生變化的情況下，若檢測到IGBT電壓上升時(shí)間變長，則可說明IGBT門氧層發(fā)生老化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為IGBT門氧層老化故障的預(yù)診斷技術(shù)提供參考。

圖7 模擬不同門極老化條件下IGBT的開通特性的實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms of IGBT turn-on characteristic under different simulated gate oxide aging degrees

表1 模擬不同門極老化條件下測得的IGBT電壓上升時(shí)間Table 1 Measured IGBT voltage rising times under different simulated gate oxide aging degrees

5 結(jié)論

論文針對(duì)IGBT門氧層老化故障，在理解故障機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了在感性負(fù)載條件下，IGBT門氧層老化故障將減慢IGBT的開通速度，對(duì)IGBT的開通特性產(chǎn)生影響。根據(jù)氧化層老化會(huì)改變IGBT外部特性的特點(diǎn)，論文設(shè)計(jì)了一種IGBT門氧層老化故障的模擬方法。最終，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了前文理論分析的正確性。論文工作可為進(jìn)一步研發(fā)IGBT門氧層老化故障的預(yù)診斷技術(shù)提供參考。