IGBT開關誘導產生機械應力波的低壓試驗研究

周雅楠，胡 毅，何赟澤，鄒 翔，耿學峰，黃守道，白 蕓，劉 菲

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2.國網安徽省電力有限公司蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000)

絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)是實現高效高質電力電子電能變換技術的基石，在大功率特種電源、高鐵牽引、新能源發(fā)電、智能電網等國防與工業(yè)領域應用廣泛[1-3]。IGBT一旦發(fā)生故障或者性能弱化，會影響電力電子裝置的正常運行，進而給變換系統(tǒng)和使用電力電子設備的系統(tǒng)帶來巨大的國民經濟損失[4-5]。而IGBT可靠性與其開關特性緊密相關，開關損耗會影響裝置的性能和效率。器件開關特性與開關損耗緊密相連，器件開關過程的du/dt和di/dt可能會引起過電流、過電壓、電磁干擾等問題[6-11]。因此，IGBT運行參數的檢測和狀態(tài)的實時監(jiān)測一直都是國內外專家學者的研究熱點。

利用材料內局域源能量快速釋放產生瞬態(tài)彈性波的聲發(fā)射檢測技術已廣泛應用于石油、化工、電力和航空航天等領域，實現材料缺陷和物理特性的檢測，具有快速、非侵入式和實時在線檢測等特點。IGBT具有導通與關斷2種工作狀態(tài)，這2種工作狀態(tài)會產生空穴、電子相對運動和復合，從而在器件內由電磁應力的快速釋放產生瞬態(tài)彈性波，傳遞到器件表面形成聲發(fā)射信號，可以用聲發(fā)射測量系統(tǒng)捕獲到這種信號。因此，基于應力波的狀態(tài)監(jiān)測方法未來有潛力成為一種新的IGBT可靠性監(jiān)測方法。近幾年國內外部分單位對于聲發(fā)射技術在IGBT檢測監(jiān)測領域展開了研究。文獻[12]在2014年使用雙脈沖測試電路和聲發(fā)射測量系統(tǒng)檢測到IGBT在關斷瞬間會產生聲發(fā)射信號，并通過信號傳播延時的方法證明了聲發(fā)射信號源于IGBT內部；文獻[13]通過采用2種不同帶寬的傳感器對IGBT關斷瞬間產生的聲發(fā)射信號進行測量，發(fā)現不同型號的傳感器捕獲到的聲發(fā)射信號存在不同；文獻[14]在2015年提取了IGBT門—射極短路或集—射極短路失效時產生的聲發(fā)射信號，發(fā)現2種與失效模式相關的聲發(fā)射信號，2種信號明顯不同，一種出現在IGBT失效發(fā)生數10 ms后，持續(xù)時間通常小于1 ms；一種出現在IGBT失效瞬間，信號持續(xù)大約為1 ms或更長時間；文獻[15]在2016年使用IGBT功率循環(huán)測試電路與聲發(fā)射測量系統(tǒng)，提取了IGBT老化過程中產生的聲發(fā)射信號，發(fā)現隨著老化程度加深，聲發(fā)射波信號在50～150 kHz頻率范圍內幅值逐漸減??；文獻[16]通過試驗提取了IGBT器件關斷產生的機械應力波，并進行時域和頻域分析，獲得其特征參數；文獻[17]提取了在IGBT模塊在功率循環(huán)過程中的聲發(fā)射信號，發(fā)現聲發(fā)射信號與通態(tài)電壓降有很強的相關性，進一步說明聲發(fā)射檢測技術在IGBT狀態(tài)監(jiān)測領域有很好的應用前景；文獻[18]對IGBT器件關斷機械應力波的進行分析，發(fā)現高頻分量的2個脈沖波時間間隔與驅動信號的寬度相同，兩脈沖波的頻率組成成分單一并且相位相反，其中高頻分量與集電極電流關聯度不高，低頻分量的不同特征參數均與關斷電流呈強線性關系。

本文首先闡述應力波信號的產生機理，再通過搭建脈沖測試電路和聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)提取IGBT在不同條件下所產生的應力波信號；并分析提取應力波信號時域和頻域的特征參數，得出不同狀態(tài)下應力波信號的特征區(qū)別與聯系，同時建立IGBT參數與應力波特征參數之間的關系，為后續(xù)研究高壓或老化條件下IGBT的開關應力波信號和IGBT的實時檢測監(jiān)測奠定基礎。

1 應力波/聲發(fā)射產生機理分析

如圖1所示，IGBT是一種五層三結的MOS控制性器件。它的控制端即門極通常為MOS的柵極，門極和發(fā)射極都位于器件的上表面。溝道位于p基區(qū)表面，緊貼著控制區(qū)，與2次擴散的橫向結深有關。發(fā)射區(qū)位于p基區(qū)中，并且和p基區(qū)短路，可以消除n+發(fā)射區(qū)、p基區(qū)和n-漂移區(qū)所形成的寄生npn晶體管。IGBT的輸出端為集電極，在器件的下表面。在p+集電區(qū)和n-漂移區(qū)之間有一層緩沖層n，緩沖層可以壓縮n-漂移區(qū)的電場，還能夠提高IGBT的導通和開關能力。

本試驗主要為了探究IGBT在單脈沖的驅動條件時的3種不同狀態(tài)下所產生的應力波信號特征，3種狀態(tài)下IGBT內部微觀結構變化分別對應圖1的(a)、(b)、(c)。其中，狀態(tài)1：門極電壓VGE大于開啟閾值電壓VT并且無VCE；狀態(tài)2：VGE大于開啟閾值電壓VT并且VCE大于零；狀態(tài)3：VGE小于等于零并且VCE大于零。

圖1 IGBT不同狀態(tài)下的微觀結構Figure 1 Microstructure diagram of IGBT in different states

狀態(tài)1 無VCE時即器件無關斷電流，此時給門極施加正向脈沖觸發(fā)信號，相當于給器件的門極和發(fā)射極施加了電荷，門極和發(fā)射極可看成2個極板，極板上有了電荷就會在極板附近產生電場，只不過該電場的強度較弱。外加電場瞬間會使IGBT內部電場會發(fā)生變化，電場變化會產生磁場，器件內部電子會受到洛倫茲力作用，洛倫茲力帶來的能量變化會以機械應力波的形式傳遞出來，被聲發(fā)射傳感器耦合。同理，觸發(fā)脈沖消失瞬間也會產生類似應力波信號。該狀態(tài)下的IGBT是不處于正常工作狀態(tài)的，研究這種條件并不是無實際意義。由于對機械應力波產生機理還處于試驗探究階段，所了解的知識體系還不夠完善，研究這種狀態(tài)的主要目的就是為了深入了解并探究機械應力波信號的來源與影響因素，再與IGBT正常工作條件下形成對比，進而推出一定的結論。

狀態(tài)2 給門極施加脈沖信號，使得VGE大于開啟閾值電壓VT，p基區(qū)表面反型，形成MOS導電通道，n+發(fā)射區(qū)的電子會通過導電溝道進入n-漂移區(qū)，導致n-漂移區(qū)的電位降低，從而p+集電區(qū)的空穴會通過n緩沖層向n-漂移區(qū)注入。進入n-漂移區(qū)的電子會與空穴不斷復合，形成電子電流，部分空穴會經p基區(qū)流入發(fā)射極，形成空穴電流，使得IGBT開通。整個過程持續(xù)時間極短，瞬間通過IGBT的電流變化率很大，會在器件內部產生變化的磁場，電子會受到洛倫茲力的作用，這種力會導致內部結構形變和振動，從而產生機械應力波信號，這種機械應力波信號會沿著器件的焊料層和基板傳播出來。同時開通瞬間，使得IGBT所承受的電壓和流經IGBT的電流會發(fā)生劇烈變化，因此產生有脈沖特征的電磁能量變化，這種能量變化會生成電磁波，也會被傳感器所耦合。

狀態(tài)3 通過門電極短接或反接使得門極電容放電，即VGE小于等于零時，p基區(qū)表面的n型反型層會消失，無法形成導電溝道，這樣n+發(fā)射區(qū)的電子就無法注入到n-漂移區(qū)，IGBT內部無電子的運動就會導致沒有電子電流和空穴電流的產生，進而導致發(fā)射極電流迅速減小，導致IGBT關斷。同樣關斷過程極短，也會在器件內部產生變化的磁場，電子會受到洛倫茲力的作用，這種力使得器件內部發(fā)生形變，進而以機械應力波的形式傳遞出來。由于關斷時的電流變化率與開通時相反，就會導致所產生的應力波信號的相位相反。同時施加的是脈沖信號，當VCE存在時，電流在變?yōu)榱愕倪^程中，也會生成具有脈沖特征的瞬態(tài)電磁波傳遞出來，被傳感器所耦合。接下來通過搭建脈沖測試平臺、大量對比試驗以及對信號特征參數進行分析，探索這3種狀態(tài)下所生成的應力波信號特征。

2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由IGBT脈沖測試電路和聲發(fā)射信號測量平臺兩部分組成，如圖2(a)所示。脈沖測試電路原理如圖2(b)所示，采用的是單脈沖測試時序的感性負載電路，選擇單脈沖觸發(fā)主要是為了易于采集、記錄以及分析IGBT開關所產生的應力波信號，當然采用雙脈沖的方式也是可行的。測試器件型號為IGW30N60TP，電感值為100 μH，通過直流電壓源DC給電路充電，同軸電阻的型號是SDN-414-01,阻值為0.01 Ω，其外殼可有效屏蔽外部噪聲源，可以測量小電流值和瞬態(tài)電流。試驗時使用國產RIGOL任意波形信號發(fā)生器給測試電路板加單脈沖觸發(fā)信號，并使用示波器實時觀測VGE、VCE、IC波形。

圖2 測試系統(tǒng)與電路Figure 2 Test system and circuit

聲發(fā)射測量平臺包含壓電傳感器型號為VS45-H(帶寬為20～450 kHz，帶寬滿足實際測量需求，后期工作會對比研究不同帶寬傳感器所采集的信號)，放大器型號為AEP5，聲發(fā)射儀是德國Vallen公司生產的AMSY-6(帶寬10 MHz)，如圖3所示，測試時直接將傳感器貼在IGBT正背面，可通過計算機上的聲發(fā)射信號采集軟件實時顯示監(jiān)測到的聲發(fā)射信號。

圖3 傳感器位置放置示意Figure 3 Schematic diagram of sensor location

試驗測試時序如圖4所示，t1時刻門極電壓VGE變高，IGBT導通，集電極電流IC開始上升；t2時刻VGE由正壓變?yōu)樨搲海琁GBT關斷，得到關斷過程的集電極電壓VCE和電流IC的波形。

圖4 脈沖測試時序Figure 4 Pulse test sequence diagram

3 試驗研究

環(huán)境噪聲過大會影響有效信號的采集，因此，測試前先使用聲發(fā)射儀對環(huán)境噪聲進行測試，得出環(huán)境噪聲在35 dB附近上下波動，噪聲信號的時域波形如圖5所示，可看出信號幅值為0.04 mV，因此可設置信號的采樣閾值為45 dB，有效排除環(huán)境噪聲對信號采集時的干擾。假如測試的噪聲分貝過大，需采取有效方法對噪聲進行屏蔽。

圖5 噪聲信號的時域波形Figure 5 Time-domain waveform of noise

3.1 應力波信號的成分分析

傳感器的耦合方式有2種：①耦合劑耦合，使用的耦合劑為真空封脂；②空氣耦合(近似看作無介質)，主要用于對比試驗。

在使用真空封脂耦合并且其余條件保持一致的情況下，狀態(tài)1、2下所采集的應力波信號如圖6所示，對比發(fā)現：當VCE存在時，可發(fā)現應力波信號的時域波形中有兩處明顯的高幅值信號尖峰，且兩處信號尖峰的間隔時間正好為信號的脈沖寬度，同時存在明顯的高頻成分；當VCE為0 V時，相同條件下，無類似尖峰信號，也無高頻成分。

圖6 有、無VCE時應力波信號時域波形Figure 6 Time-domain waveforms of stress wave signal with/without VCE

分別對VCE為30、0 V，脈寬為40 μs時進行短時傅里葉變換，得到應力波信號時頻，如圖7所示，對比發(fā)現：有VCE時信號的開通和關斷瞬間能量明顯強于無VCE時，可推斷出IGBT開關所產生的應力波信號是由VCE和VGE疊加所產生，并且高頻信號與VCE有關。

圖7 有、無VCE時應力波信號時頻譜Figure 7 Time-frequency spectrums of stress wave signal with/without VCE

為了驗證IGBT開關狀態(tài)下產生的應力波信號高頻部分成分為電磁波，低頻信號是機械應力波，可根據機械應力波與電磁波的傳播方式不同，電磁波不需要介質就可以傳播，而機械應力波傳播需要介質，因此，采取空氣耦合的方式與采用耦合劑耦合方式形成對比，提取相同條件下的聲發(fā)射信號?？諝怦詈舷掠蠽CE條件下的應力波信號時域波形如圖8所示，空氣可近似看成無介質，此種耦合方式下傳感器探頭與器件表面的間隙會使電磁波的信號減弱，但同時也阻礙了機械應力波的傳播。

圖8 空氣耦合下有VCE的應力波信號時域波形Figure 8 Time-domain waveform of stress wave signal with signal with VCE under air coupling

通過上述對比試驗可發(fā)現，IGBT開關狀態(tài)下所產生的應力波信號的成分包含低頻和高頻2個部分，低頻信號是機械應力波，高頻部分成分為電磁波，同時，IGBT開關所產生的應力波信號是由VCE和VGE疊加所產生，并且高頻信號與VCE有關。

3.2 應力波信號的低頻成分分析

信號的高頻和低頻主要根據信號頻譜來分段，一般分為兩段，并且以300 kHz進行分段。截取信號的高頻段分析，發(fā)現高頻主要集中在2.7 MHz處。信號頻譜分段可以將2種頻率的特征參數與IGBT電參數間建立聯系。

狀態(tài)1時VCE設置為0 V，對不同脈沖寬度下采集到的應力波信號進行分析，由文3.1中的成分分析可知，低頻部分為機械應力波，因此，通過設置低頻數字濾波器對采集到的應力波信號進行處理，截止頻率設置為300 kHz。由于正向脈沖時間極短，IGBT在負脈沖時產生的應力波信號會與正脈沖時產生的機械應力波信號發(fā)生疊加，導致不同脈寬下的機械應力波的實際波形形狀不同，但開通時峰值幅值基本相同，且頻率成分一致，主要集中在50～150 kHz范圍內。

狀態(tài)2、3時VCE不為零，分別對不同VCE相同脈寬、相同VCE不同脈寬狀態(tài)下的應力波信號進行分析。由于器件的整個開關過程時間極短，開通和關斷產生的應力波信號會發(fā)生疊加現象，導致傳感器耦合的信號為疊加后的信號。試驗設置VGE為15 V，使用真空封脂耦合劑耦合，分別調節(jié)VCE和脈沖寬度，觀察IGBT開通時刻應力波信號的脈沖尖峰幅值，并記錄如表1所示。

表1 不同VCE下聲發(fā)射信號特征參數Table 1 Characteristic parameters of acoustic emission signals under different VCE

根據表1中數據，以保持VCE為30 V調整脈沖寬度、保持脈沖寬度為40 μs調節(jié)VCE為例，分別畫出IGBT開通瞬間應力波信號脈沖尖峰幅值與VCE、脈沖寬度之間的擬合曲線，如圖9所示。

圖9 脈寬/VCE變化與開通瞬間應力波信號幅值關系(未加濾波器)Figure 9 Relationship between the change of pulse width/VCE and the amplitude of stress wave signal at the conducting moment(without filter)

當對信號低頻成分進行分析時，需對試驗采集到的信號加一個低通數字濾波器，截止頻率為300 kHz。低頻為機械應力波信號，同樣觀察開通時刻聲發(fā)射信號的脈沖尖峰幅值，并記錄如表2所示。根據表2中數據，以保持VCE為30 V調整脈沖寬度、保持脈沖寬度為40 μs調節(jié)VCE為例，分別畫出低頻應力波信號的開通瞬間信號脈沖尖峰幅值與VCE、脈沖寬度之間的擬合曲線，如圖10所示。

表2 不同VCE下低頻應力波信號特征參數Table 2 Characteristic parameters of low frequency stress wave signals under different VCE

圖10 脈寬/VCE變化與開通瞬間低頻應力波信號幅值關系Figure 10 Relationship between the change of pulse width/VCE and the amplitude of low frequency stress wave signal at the conducting moment

分別給出相同VCE(30 V)不同脈沖寬度、不同VCE相同脈沖寬度(40 μs)2種條件下所采集的應力波信號的時域波形和頻譜圖，對比結果分別如圖11、12所示。

圖11 低通濾波后不同脈寬下的信號時域波形及頻譜Figure 11 Time-domain waveforms and spectrums of signals under different pulse widths after low-pass filtering

圖12 低通濾波后不同VCE下的信號時域波形及頻譜Figure 12 Time-domain waveforms and spectrums of signals under different VCE signals after low-pass filtering

通過分析表2中數據、擬合關系曲線以及應力波信號的時域波形、頻譜圖，在不同VCE下，改變脈沖寬度可以發(fā)現：VCE不變時改變脈沖寬度，開通時刻的應力波信號脈沖尖峰的幅值不變，低頻機械應力波信號仍滿足此規(guī)律；低頻應力波信號主要集中在50～150 kHz，脈沖寬度的改變對于機械應力波的頻譜基本無影響，只是改變了時域波形的疊加時間，導致時域波形不一致；脈沖寬度相同時開通時刻的聲發(fā)射信號脈沖尖峰幅值隨著VCE的增大而增大，并且呈線性增長，低頻機械應力波信號仍滿足此規(guī)律，同時，VCE的變化對應力波的時域波形的形狀基本無影響，只是改變了信號的幅值；開通和關斷都會產生聲發(fā)射信號，開通時刻信號幅值為正，關斷時信號幅值為負。

3.3 應力波信號的高頻成分分析

信號的高頻部分雖然不在20～450 kHz內，但是高頻部分在聲發(fā)射傳感器VS45-H中有較好的響應。針對狀態(tài)1，VCE設置為0 V，脈寬為40 μs下所提取應力波信號的時域波形和頻譜如圖13所示，同時，對不同脈沖寬度下的聲發(fā)射信號進行頻譜分析，可發(fā)現無明顯脈沖尖峰并且無高頻成分，由此可推出高頻電磁波與VCE有關。

圖13 無VCE時信號的時域波形及頻譜Figure 13 Time-domain waveform plots and spectrum of signals without VCE

針對狀態(tài)2、3，對試驗設置VGE為15 V、真空封脂耦合劑耦合所采集到的應力波信號加一個高通數字濾波器，下限設置為300 kHz，同樣觀察IGBT開通時刻應力波信號的脈沖尖峰幅值，并記錄如表3所示。

表3 不同VCE下高頻應力波信號特征參數Table 3 Characteristic parameters of high frequency stress wave signals under different VCE

根據表3中數據，以保持VCE為30 V、調整/保持脈沖寬度為40 μs不變調節(jié)VCE為例，分別畫出低頻應力波信號的開通瞬間信號脈沖尖峰幅值與VCE/脈沖寬度之間的擬合曲線，如圖14所示。

圖14 脈寬/VCE變化與開通瞬間高頻應力波信號幅值關系Figure 14 Relationship between the change of pulse width/VCE and the amplitude of high frequency stress wave signal at the conducting moment

在其余條件保持不變的前提下，分別給出相同VCE(30 V)不同脈沖寬度、不同VCE相同脈沖寬度(40 μs)2種條件下所采集的應力波信號高頻成分的時域波形和頻譜，分別如圖15、16所示。

圖15 高通濾波后不同脈寬下的信號時域波形及頻譜Figure 15 Time-domain waveforms and spectrums of signals under different pulse widths after high-pass filtering

圖16 高通濾波后不同VCE下的信號時域波形及頻譜Figure 16 Time-domain waveforms and spectrums of signals under different VCE after high-pass filtering

通過分析表3中數據、擬合曲線以及應力波信號的時域波形和頻譜圖，高頻信號的頻率范圍主要集中在2.7 MHz附近；同時在不同VCE條件下，改變脈沖寬度可發(fā)現：VCE不變時改變脈沖寬度，開通時刻的高頻應力波信號脈沖尖峰的幅值不變，并且頻率點要密集一些；當脈沖寬度相同時，開通時刻的高頻應力波信號脈沖尖峰幅值隨著VCE的增大而增大，并且呈線性增長。

4 結語

本文分析了IGBT在不同狀態(tài)下應力波信號的產生機理，再通過搭建脈沖測試電路和聲發(fā)射信號檢測平臺采集IGBT在不同的狀態(tài)、不同傳感器耦合方式下產生的應力波信號；并分析了應力波信號的組成成分，再通過數字濾波技術提取了高頻和低頻應力波信號時域和頻域的特征參數，建立了特征參數與IGBT參數之間的關系。

1)IGBT開通和關斷都會產生應力波信號，開通時刻信號幅值為正，關斷時信號幅值為負，信號主要集中在50～150 kHz和2.7 MHz附近，應力波信號由電磁波信號和低頻應力波信號共同組成；2)VCE不變時改變脈沖寬度，開通時刻的應力波信號脈沖尖峰的幅值不變，低頻和高頻信號成分也有相同特點，并且脈沖寬度的改變對于機械應力波的頻譜范圍基本無影響，只是改變了時域波形的疊加時間，導致時域波形不一致；3)脈寬相同時開通時刻的應力波信號脈沖尖峰幅值隨著VCE的增大而增大，并且呈線性增長，低頻和高頻信號成分也有相同特點，同時VCE的變化對信號時域波形的形狀基本無影響，只是改變了信號的幅值；4)IGBT在沒有關斷電流時也會有應力波信號產生，且高頻信號成分與VCE有關，同時發(fā)現有關斷電流時，應力波信號的能量有明顯的增大。

本文研究的IGBT在低壓條件下不同狀態(tài)時應力波信號的特征，產生的AE信號包含了大量的信息。AE信號與IGBT電氣參數之間的聯系表明，該方法是一種潛在的監(jiān)測功率器件狀態(tài)的方法，盡管本文還沒有探索所有的方法，但通過分析IGBT聲發(fā)射信號的機理和對信號處理，最終得出基于聲發(fā)射技術監(jiān)測功率器件具有巨大潛力的結論。對于器件老化甚至失效與機械應力波之間的聯系需要進一步討論，在接下來的試驗中會針對長時間老化或者制造失效條件來觀測器件產生機械應力波的變化。本文為后續(xù)研究高壓及老化狀態(tài)奠定了基礎，具有重要的意義。