IGBT 模塊柵氧老化機(jī)理分析與表征方法研究

魏偉偉，張 楊，徐國(guó)卿

（1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444；2.國(guó)網(wǎng)浙江省溫州市供電公司，溫州 325002）

根據(jù)工業(yè)調(diào)查顯示，電力電子器件被認(rèn)為是電力電子系統(tǒng)中最易受過(guò)載影響和熱應(yīng)力影響的元件[1]。其中，絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、導(dǎo)通壓降低、功率等級(jí)高、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。由于大功率變換裝置的運(yùn)行工況復(fù)雜、故障影響大、運(yùn)維成本高[2]，因此，如何提升IG-BT 的運(yùn)行可靠性，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。

隨著IGBT 功率的不斷增大，受器件材料和制造工藝的限制，IGBT 的失效問(wèn)題日益突出。因此，IGBT 模塊的故障診斷變得越來(lái)越重要。為了提高IGBT 運(yùn)行的可靠性，通常采用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝改進(jìn)方法。然而，現(xiàn)有的技術(shù)不能完全避免故障的發(fā)生，故障受到空間、效率和成本的限制。在實(shí)際運(yùn)行中，IGBT 承受過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱等應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致IGBT 失效。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)集中在與封裝相關(guān)的故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及結(jié)溫預(yù)測(cè)上。文獻(xiàn)[3-4]從多物理場(chǎng)耦合角度分析了IGBT 模塊封裝主要薄弱點(diǎn)，通過(guò)歸納整理可得IGBT 模塊封裝失效機(jī)理主要為鍵合線失效、焊料層失效及其他原因引起的失效；Brown 等[5]研究了IGBT 閂鎖故障前的影響，對(duì)IGBT 的主要失效模式進(jìn)行了識(shí)別和建模，將關(guān)斷時(shí)間toff作為診斷IGBT閂鎖失效的故障特征變量；Patil 等[6]將閾值電壓的增加作為柵氧化層退化的指標(biāo)，并通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)電容電壓QSCV（quasistatic capacitance voltage）測(cè)量驗(yàn)證了柵氧化層陷阱電荷的性質(zhì)，但8 組實(shí)驗(yàn)中有6 組的閾值電壓在柵氧老化前后變化極小，甚至沒(méi)有變化；文獻(xiàn)[7]對(duì)IGBT 進(jìn)行了柵極加速老化實(shí)驗(yàn)，并提出了IGBT 開(kāi)通過(guò)程中米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間tgp作為判斷IGBT 柵氧老化的特征量；文獻(xiàn)[8]指出，柵氧層老化會(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；文獻(xiàn)[9]中提出了一種基于FPGA 的先進(jìn)柵極驅(qū)動(dòng)器用，通過(guò)測(cè)量通態(tài)柵極電壓、柵極開(kāi)通電荷等物理量，實(shí)現(xiàn)柵氧層老化故障的診斷。由于現(xiàn)有技術(shù)均需要對(duì)變流器的柵極驅(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 的柵氧層老化故障，本文開(kāi)展了相關(guān)研究。首先對(duì)IGBT 柵氧層老化的機(jī)理進(jìn)行討論；然后，分析了IGBT 柵氧層老化故障對(duì)IG-BT 關(guān)斷過(guò)程的影響，提出以關(guān)斷延遲時(shí)間td（off）作為預(yù)測(cè)IGBT 柵氧老化故障的特征參數(shù)，并在Saber軟件中建立IGBT 柵氧老化模型；最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證關(guān)斷延遲時(shí)間td（off）作為IGBT 柵氧層老化特征參數(shù)的有效性。本文工作可為研發(fā)IGBT 柵氧層老化故障預(yù)診斷技術(shù)提供一定參考。

1 IGBT 芯片柵氧老化機(jī)理及表征參數(shù)分析

圖1 是IGBT 功率模塊內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)。由圖1中可以看出，IGBT 功率模塊是以半導(dǎo)體芯片作為內(nèi)核，并遵照特定結(jié)構(gòu)封裝起來(lái)的器件。模塊主要包括銅母線、鍵合引線、IGBT 芯片、反并聯(lián)二極管芯片、芯片下焊料層、DBC 上銅層、DBC 陶瓷基板、DBC 下銅層、DBC 下焊料層以及銅底板等部分。

圖1 IGBT 模塊內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal package structure of IGBT module

根據(jù)失效表現(xiàn)形式的差異，IGBT 功率模塊的失效模式包括封裝類故障和芯片類故障，二者對(duì)IGBT 模塊的正常運(yùn)行都非常重要。IGBT 功率模塊的失效因素組成如圖2 所示。IGBT 柵氧老化故障屬于IGBT 芯片類故障，主要由經(jīng)時(shí)擊穿TDDB（time dependent dielectric breakdown）造成。

圖2 IGBT 模塊的失效因素組成Fig.2 Failure factors of IGBT module

1.1 IGBT 芯片柵氧老化機(jī)理分析

對(duì)于IGBT，與柵氧層失效相關(guān)的機(jī)制主要包括2 種類型:單粒子?xùn)艠O擊穿SEGR（single-event gate rupture）和TDDB。SEGR 很容易發(fā)生在輻照環(huán)境中，當(dāng)重離子從柵極區(qū)域進(jìn)入器件時(shí)，它會(huì)在柵極氧化物中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，并產(chǎn)生柵極氧化物缺陷。這些缺陷最終會(huì)導(dǎo)致柵極的失效。與SEGR相比，TDDB 更為常見(jiàn)，是威脅器件和系統(tǒng)的壽命和長(zhǎng)期工作可靠性的主要失效機(jī)制。

若柵氧化層上的電場(chǎng)強(qiáng)度大于本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)，柵氧化層立即會(huì)被擊穿，這種情況稱為瞬時(shí)擊穿。而當(dāng)加在柵氧化層上的電場(chǎng)強(qiáng)度小于本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，柵氧化層不會(huì)立即被擊穿，而在不久后才會(huì)被擊穿，這種情況稱作經(jīng)時(shí)擊穿，即TDDB。當(dāng)恒定電壓施加在IGBT 內(nèi)部柵氧化層，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(guò)程可以分為2 個(gè)階段。

TDDB 是高柵壓偏置應(yīng)力隨時(shí)間引起柵氧化層劣化的結(jié)果。柵氧化層退化是由于缺陷電荷在柵極氧化層中積累導(dǎo)致的。這些缺陷電荷分為固定電荷Qf、可動(dòng)離子電荷Qm、界面陷阱電荷Qit和氧化層陷阱電荷Qot。Qf和Qm主要在器件制造過(guò)程中產(chǎn)生，隨著制造工藝的改進(jìn)，它們?cè)跀?shù)量上得到控制，對(duì)設(shè)備的影響可忽略不計(jì)。對(duì)于Qit和Qot，這些陷阱在柵極應(yīng)力下隨機(jī)產(chǎn)生，最近鄰的陷阱形成導(dǎo)電集團(tuán)，如圖3 所示。過(guò)剩的低能級(jí)電流會(huì)流過(guò)這些導(dǎo)電集團(tuán)，并且在陷阱密度較高的區(qū)域有較大的電流流過(guò)。當(dāng)局部區(qū)域的陷阱密度達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，導(dǎo)電集團(tuán)使柵極和襯底發(fā)生導(dǎo)通，進(jìn)而形成通路，引發(fā)電容能量的破壞性放電，造成局部電介質(zhì)擊穿[13]。經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度的電流，介質(zhì)會(huì)被融化或燒焦，多晶硅柵也會(huì)被熱損毀，并且這些變化是不可逆的。

圖3 近鄰陷阱形成導(dǎo)電集團(tuán)Fig.3 Conductive clusters formed by nearby traps

1.2 柵氧老化對(duì)關(guān)斷延遲時(shí)間的影響

IGBT 關(guān)斷過(guò)程可以分為4 個(gè)階段，分別為柵極電壓下降階段、關(guān)斷米勒平臺(tái)階段、電流下降階段以及拖尾電流階段，如圖4 所示。

圖4 感性負(fù)載時(shí)的IGBT 關(guān)斷過(guò)程Fig.4 IGBT turn-off process under inductive load

關(guān)斷過(guò)程中IGBT 狀態(tài)分別如下。

（1）柵極電壓下降階段（t1＜t＜t2）：在t1時(shí)刻之前，IGBT 仍保持開(kāi)通狀態(tài)。IGBT 關(guān)斷過(guò)程起始于柵極電壓UGE下降之時(shí)，該階段柵極-發(fā)射極電容Cge和柵極-集電極電容Cgc對(duì)外放電，柵極電流Ig從柵極向柵極驅(qū)動(dòng)電路反向流動(dòng)，此時(shí)柵極-發(fā)射極電壓UGE滿足

式中：Rin為柵極回路等效輸入電阻；UGH和UGL分別為驅(qū)動(dòng)電壓的正值和負(fù)值；Cin等效輸入電容，Cin=（Cge+Cgc）。在UGE下降至米勒平臺(tái)電壓Ugp，off期間，集電極電流IC基本保持不變。

（2）關(guān)斷米勒平臺(tái)階段（t2＜t＜t3）：關(guān)斷米勒平臺(tái)階段起始于t2時(shí)刻。該階段僅有米勒電容Cgc對(duì)外放電，使得集電極-發(fā)射極電壓UCE逐漸增加。在UGE保持在Ugp，off期間，IC仍然保持為負(fù)載電流，并逐漸臨界飽和。

（3）電流下降階段（t3＜t＜t4）：電流下降階段起始于t3時(shí)刻。此時(shí)UCE增長(zhǎng)到直流母線電壓UDC，續(xù)流二極管轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。該階段IC迅速減小，dIC/dt在母線雜散電感的作用下感生出電動(dòng)勢(shì)，使得UCE產(chǎn)生高于UDC的電壓尖峰。從t3時(shí)刻開(kāi)始，UGE從關(guān)斷米勒平臺(tái)電壓Ugp，off逐漸減小。當(dāng)UGE減小到柵極閾值電壓UGE（th）時(shí)，MOS 溝道消失。

（4）拖尾電流階段（t4＜t＜t5）：拖尾電流階段起始于t4時(shí)刻。此時(shí)UCE保持UDC不變，IGBT 完全關(guān)斷。該階段N-漂移區(qū)的過(guò)?？昭ㄐ枰揽繌?fù)合作用來(lái)緩慢消除，因此IC緩慢衰減到0。

在關(guān)斷米勒平臺(tái)階段，Ig幾乎完全從Cgc流過(guò)，因此UGE保持平臺(tái)電壓Ugp，off不變。米勒電容Cgc在此階段內(nèi)假設(shè)為一個(gè)平均值Cgc，av，此時(shí)持續(xù)時(shí)間（t3-t2）可被定義為

式中：gm為跨導(dǎo)；IL為負(fù)載電流。

由式（2）可知，平臺(tái)持續(xù)時(shí)間tgp，off主要受到Cgc，av的影響。由于柵氧老化效應(yīng)的緣故，TDDB 導(dǎo)致缺陷電荷Qit和Qot在柵極氧化層累積，累積的電荷增加了氧化層電容Coxd和米勒電容Cgc，進(jìn)一步使得Cgc，av增大[14]。相比較于健康IGBT，該階段內(nèi)柵氧劣化的IGBT 的持續(xù)時(shí)間tgp，off更長(zhǎng)?？紤]到關(guān)斷延遲時(shí)間td（off）定義為從UGE下降至其幅值的90%到IC下降至其幅值的90%的這段時(shí)間，td（off）≈tgp，off。因此該階段內(nèi)柵氧劣化的IGBT 的關(guān)斷延遲時(shí)間td（off）更長(zhǎng)。

米勒電容的大小和UCE有關(guān)，UCE越大，米勒電容越小。在關(guān)斷延遲階段UCE處于導(dǎo)通壓降，而在開(kāi)通延遲階段UCE則處于母線電壓，所以關(guān)斷延遲階段的米勒電容遠(yuǎn)大于開(kāi)通延遲階段的米勒電容，關(guān)斷延遲時(shí)間也對(duì)柵氧老化更加敏感。

2 基于Saber 的柵氧老化失效仿真

2.1 柵氧老化仿真模型的建立

本文使用的IGBT 功率模塊是半導(dǎo)體廠商In-fineon 的FF50R12RT4。該IGBT 的數(shù)據(jù)手冊(cè)上只有輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，但是沒(méi)有給出C-V 特性曲線。因此要想得到該IGBT 精確的仿真模型，就需要利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀來(lái)詳細(xì)測(cè)量FF50R12RT4模塊的極間電容。

本文采用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)量FF50R12RT4的極間電容，測(cè)試平臺(tái)如圖5 所示，包括精密LCR測(cè)量計(jì)安捷倫E4980A、高壓源表吉時(shí)利2410、高壓直流電源、上位機(jī)以及探針臺(tái)。測(cè)試機(jī)臺(tái)型號(hào)為國(guó)產(chǎn)設(shè)備XR342，測(cè)試電壓范圍為0～1 000 V，測(cè)試頻率為0.01 Hz～1 MHz，信號(hào)幅度為0.1～5 V，測(cè)試電容范圍為1 pF～1 000 nF。由于IGBT 功率模塊的寄生電容的數(shù)值非常小，因此在測(cè)試前首先要對(duì)測(cè)試儀器實(shí)施短路校正和斷路校正。校正完成后在操作界面設(shè)置參數(shù)開(kāi)始測(cè)量。測(cè)量條件如下：交流頻率為1 MHz，最低偏置電壓為0.1 V，最高偏置電壓為600 V，交流電平為100 mV。

圖5 半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試平臺(tái)Fig.5 Semiconductor parameter test platform

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試電路可以等效為RLC串聯(lián)電路。當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓和電流滿足

由于測(cè)試電路中雜散電感的數(shù)值為nH 級(jí)別，雜散電容的數(shù)值為nF 級(jí)別，故當(dāng)測(cè)試頻率選擇MHz 級(jí)別時(shí)，式（4）中的1/ωC 約為ωL 的1 000 倍，測(cè)試結(jié)果僅著重于C。另外，考慮到Saber 軟件在IGBT 實(shí)際建模中使用的并不是極間電容Cge、Cgc及Cce，而是輸入電容Cies、輸出電容Coes以及反向傳輸電容Cres[11]，這3 個(gè)電容的定義表達(dá)式為

由式（5）～式（7）可知，實(shí)際測(cè)試Cies、Coes及Cres中某一個(gè)電容時(shí)，需要屏蔽一個(gè)或多個(gè)極間電容的影響。選擇的測(cè)試對(duì)象不同，相應(yīng)測(cè)試電路的配置與接線也有所差異。

圖6 為測(cè)試Cies、Coes及Cres的連線原理。當(dāng)測(cè)試輸入電容Cies時(shí)，為了排除極間電容Cce的干擾，需要在C、E 端加載1 μF 的大電容，如圖6（a）所示。這樣1 μF 的電容與nF 級(jí)別的Cce并聯(lián)的電容數(shù)值仍為1 μF 左右。之后再與nF 級(jí)別的Cgc串聯(lián)，其串聯(lián)結(jié)果約等于Cgc。最終測(cè)試電容即為Cgc與Cge之和。在圖6（b）中，當(dāng)測(cè)試輸出電容Coes時(shí)，為了排除極間電容Cgc的干擾，需要在G、E 端加載1 μF 的大電容。這樣1 μF 的電容與nF 級(jí)別的Cge的并聯(lián)電容仍為1 μF 左右。之后再與nF 級(jí)別的Cgc串聯(lián)，其串聯(lián)結(jié)果約等于Cgc。最終測(cè)試電容即為Cgc與Cce之和。在圖6（c）中，當(dāng)測(cè)試反向傳輸電容Cres時(shí)，為了排除極間電容Cge和Cce的干擾，需要在G 端和交流電源負(fù)端加載1 μF 的大電容。這樣1 μF 的電容與nF 級(jí)別的Cgc的串聯(lián)結(jié)果約等于Cgc。最終測(cè)試電容即可視作Cgc。

圖6 測(cè)試電路連線原理Fig.6 Schematic of wiring in test circuits

本文以擬合轉(zhuǎn)移特性為例來(lái)對(duì)IGBT 進(jìn)行建模分析，將FF50R12RT4 的轉(zhuǎn)移特性曲線、輸出特性曲線、極間電容曲線以及拖尾電流特性曲線導(dǎo)入到Saber 軟件中，完成對(duì)特定IGBT 功率模塊的建模過(guò)程。

建好FF50R12RT4 的行為模型后，需要對(duì)模型的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。因此，通過(guò)分析模型的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性并將其與器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上提供的開(kāi)關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證模型的可行性。

仿真模型開(kāi)關(guān)參數(shù)與數(shù)據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示。從表1 可以看出，盡管模型仿真得到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)手冊(cè)上的開(kāi)關(guān)參數(shù)存在一定的差別。但Saber 中仿真電路和半導(dǎo)體廠商的實(shí)際測(cè)試電路存在差異，考慮到仿真結(jié)果的數(shù)量級(jí)，可以認(rèn)為搭建的模型是可靠的。

表1 仿真模型開(kāi)關(guān)參數(shù)與數(shù)據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison between switch parameters of simulation model and the corresponding values in datasheet

2.2 關(guān)斷延遲時(shí)間表征柵氧老化失效仿真

本文使用第2.1 節(jié)搭建的模型，在Saber Sketch中建立帶感性負(fù)載的雙脈沖測(cè)試電路，如圖7 所示為Saber 仿真原理，仿真中忽略了電路中的寄生電感等參數(shù)。其中，仿真參數(shù)設(shè)置如下：Vdc=600 V，RG=15 Ω，VGE=±15 V，IC=50 A，L=4 mH。

圖7 帶感性負(fù)載的雙脈沖測(cè)試仿真電路Fig.7 Dual pulse test simulation circuit with inductive load

圖8 為健康IGBT 仿真模型以及模擬柵氧老化（經(jīng)過(guò)75 V 高柵壓應(yīng)力作用18 h）后IGBT 仿真模型在關(guān)斷過(guò)程中的暫態(tài)波形。從圖8（a）可以看出，關(guān)斷平臺(tái)持續(xù)時(shí)間隨著柵極氧化層的疲勞老化而延長(zhǎng)。另外，在UGE逐漸減小至閾值電壓以下時(shí)，此時(shí)Cge對(duì)柵極放電占主導(dǎo)作用。隨著柵極氧化層的疲勞老化，Cge逐步減小，柵極電壓下降速度反而加快。圖8（b）為柵氧老化失效仿真模型的關(guān)斷暫態(tài)集電極電流波形，可以看出，柵氧老化后IGBT 集電極電流仿真波形的下降時(shí)刻延遲了，而下降速度幾乎沒(méi)有變化。

圖8 仿真模型的關(guān)斷過(guò)程暫態(tài)波形Fig.8 Transient waveforms in turn-off process of simulation model

從仿真結(jié)果中分別提取健康狀態(tài)下以及經(jīng)過(guò)75 V 高柵壓應(yīng)力作用18 h 后的關(guān)斷延遲時(shí)間，并計(jì)算特征參數(shù)表征柵氧老化失效的靈敏度，健康的IGBT 模塊td（off）為0.43 μs 而老化過(guò)后的IGBT 模塊td（off）為0.56 μs，靈敏度約為30.2%。td（off）在IGBT 柵氧老化前后數(shù)值變化顯著，因此關(guān)斷延遲時(shí)間td（off）適合用于表征IGBT 柵氧老化失效。

3 柵氧老化失效的特征參量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證IGBT 柵氧老化特性，加速老化測(cè)試方法[7,12]和雙脈沖測(cè)試方法應(yīng)用于單相全橋逆變器中的IGBT 模塊。通過(guò)施加高柵壓偏置應(yīng)力的方式使IGBT 柵氧化層發(fā)生不同程度的老化，再通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)獲得IGBT 芯片不同柵氧老化程度的IGBT 模塊的開(kāi)關(guān)暫態(tài)波形。圖9 為檢測(cè)平臺(tái)的實(shí)物。

圖9 檢測(cè)平臺(tái)實(shí)物Fig.9 Physical picture of detection platform

本文采取加速老化實(shí)驗(yàn)，模擬IGBT 芯片柵氧老化。在室溫（25 ℃）條件下，將75 V 正電壓偏差施加在待測(cè)IGBT 的柵極-發(fā)射極兩端，同時(shí)集電極、發(fā)射極及襯底接地。加速老化實(shí)驗(yàn)持續(xù)28 h，其中周期性地停止施加應(yīng)力，并測(cè)量器件特性的變化。在75 V 的電壓等級(jí)下，每隔1 h 將待測(cè)IGBT放到雙脈沖測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。用示波器記錄下待測(cè)IGBT 運(yùn)行過(guò)程中UGE、UCE和IC的波形。為避免偶然因素造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果干擾，相同條件下對(duì)每個(gè)IGBT 做3 次雙脈沖實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖10 為在加速老化實(shí)驗(yàn)中不同老化階段關(guān)斷過(guò)程?hào)艠O電壓和集電極電流波形。在關(guān)斷過(guò)程中，IGBT FF50R12RT4 的米勒平臺(tái)偏移如圖10（a）所示，關(guān)斷暫態(tài)米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間隨著老化程度增大而延長(zhǎng)。圖10（b）為加速老化實(shí)驗(yàn)中不同老化階段內(nèi)關(guān)斷暫態(tài)集電極電流波形，在關(guān)斷過(guò)程中，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，IGBT FF50R12RT4 的集電極電流下降速度略有加快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與雙脈沖仿真測(cè)試結(jié)果基本一致。這不僅驗(yàn)證了TDDB 老化對(duì)IGBT 功率模塊內(nèi)寄生電容的影響，同時(shí)驗(yàn)證了內(nèi)部寄生電容變化對(duì)IGBT 外部開(kāi)關(guān)特性的影響。

圖10 不同老化階段內(nèi)關(guān)斷暫態(tài)波形Fig.10 Turn-off transient waveforms at different degradation stages

IGBT 的開(kāi)關(guān)特性參數(shù)不僅與柵氧老化有關(guān)，還與其工作結(jié)溫有關(guān)，圖11 反映了FF50R12RT4 在600 V 集射極電壓下，不同老化程度和不同結(jié)溫對(duì)關(guān)斷延遲時(shí)間的影響。其中，集電極電流Ic在雙脈沖實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變第一個(gè)脈沖的開(kāi)通時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)。

圖11 不同老化程度和不同結(jié)溫的關(guān)斷延遲時(shí)間Fig.11 td (off) with different degradation degrees and different junction temperatures

由圖11（a）可以看出，在不同的集電極電流下，td（off）會(huì)隨著柵氧老化程度的增加而變長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)16 h柵氧層加速老化的IGBT 模塊比健康IGBT 模塊關(guān)斷延遲時(shí)間要長(zhǎng)20 ns 左右，而經(jīng)過(guò)28 h 柵氧層加速老化的IGBT 模塊比健康IGBT 模塊關(guān)斷延遲時(shí)間要長(zhǎng)40 ns 左右。經(jīng)過(guò)計(jì)算，健康狀態(tài)下td（off）作為柵氧老化程度特征參數(shù)的靈敏度達(dá)到10.3%，因此，關(guān)斷延遲時(shí)間可以有效地反映IGBT 柵氧老化程度，并且具有易檢測(cè)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

由圖11（b）可以看出，不同的結(jié)溫也會(huì)對(duì)IGBT模塊的關(guān)斷延遲時(shí)間造成影響，且和柵氧老化的影響存在重合區(qū)域。所以在檢測(cè)IGBT 柵氧老化時(shí)必須同時(shí)檢測(cè)結(jié)溫，反之在檢測(cè)結(jié)溫的同時(shí)也必須檢測(cè)IGBT 柵氧老化的程度，否則便無(wú)法準(zhǔn)確地判斷IGBT 的柵氧老化程度和結(jié)溫，該結(jié)論也同樣適用于其他老化特征參數(shù)以及熱敏參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，大容量電力電子器件在眾多領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展，針對(duì)IGBT 模塊的可靠性研究的需求，本文進(jìn)行了基于關(guān)斷延遲時(shí)間的IGBT 柵氧老化機(jī)理分析和狀態(tài)表征方法研究。本文分析了IGBT柵氧層老化故障的相關(guān)機(jī)理，當(dāng)IGBT 發(fā)生柵氧老化，其內(nèi)部的寄生電容也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起IG-BT 開(kāi)關(guān)參數(shù)的變化，并提出關(guān)斷延遲時(shí)間td（off）作為預(yù)測(cè)IGBT 柵氧老化故障的特征參數(shù)；對(duì)指定IGBT模塊柵氧老化過(guò)后的C-V 特性進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)了IGBT 柵氧老化的Saber 仿真模型，從仿真驗(yàn)證了使用td（off）作為預(yù)測(cè)IGBT 柵氧老化故障的特征參數(shù)的可行性；通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了關(guān)斷延遲時(shí)間可以有效地反映IGBT 柵氧老化程度，并且具有易檢測(cè)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，并驗(yàn)證了結(jié)溫和柵氧老化對(duì)td（off）的影響，提出在線監(jiān)測(cè)的建議。本研究可為進(jìn)一步研發(fā)IGBT 在線柵氧老化故障預(yù)診斷以及IGBT 在線可靠性狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供參考。