IGBT失效機(jī)理探討及失效特征參數(shù)提取

摘 要：本文探討了IGBT的失效機(jī)理，對(duì)其失效類(lèi)型進(jìn)行了歸納和理論分析。為了評(píng)估IGBT健康狀態(tài)，本文提出提取失效特征參數(shù)集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE-sat，來(lái)預(yù)測(cè)IGBT模塊的剩余壽命的方法。為了驗(yàn)證該方法，搭建IGBT加速老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)利用一個(gè)在整流狀態(tài)下工作的三相橋來(lái)模擬電機(jī)，逆變器輸出的交流電利用模擬電機(jī)整流成直流電并返回直流側(cè)，使電能在逆變器和模擬電機(jī)間不斷循環(huán)，直流側(cè)僅需提供電力電子器件熱損耗相當(dāng)?shù)哪芰?，具有顯著的節(jié)能環(huán)保特性，同時(shí)降低了對(duì)陪試設(shè)備的要求。利用IGBT加速老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不同環(huán)境溫度下對(duì)4種不同型號(hào)的IGBT模塊進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)IGBT模塊器件失效時(shí)，VCE-sat增量＞16%。

關(guān)鍵詞：IGBT；失效機(jī)理；特征參數(shù)提取

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 32 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

絕緣柵雙極型晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)由金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET和雙極性結(jié)型晶體管BJT組成，屬于全控型電力電子器件，并由電壓驅(qū)動(dòng)。IGBT開(kāi)關(guān)頻率高、控制功耗低、輸入阻抗高、飽和壓降低且能通過(guò)大電流，是電力變換的核心器件。IGBT在工作過(guò)程中會(huì)承受較大的功率波動(dòng)和運(yùn)行工況變化引起的疲勞損傷。根據(jù)YANG S等[1]的統(tǒng)計(jì)，38%的變流器系統(tǒng)故障原因是IGBT失效。

1 IGBT的工作原理

IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。IGBT有集電極、柵極和發(fā)射極3個(gè)端子。IGBT在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上等同于一個(gè)4層半導(dǎo)體器件，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，由注入?yún)^(qū)向緩沖區(qū)發(fā)射少數(shù)載流子，調(diào)制漂移區(qū)電導(dǎo)率，使IGBT具有高電壓、大電流承載能力。

2 IGBT失效機(jī)理分析

IGBT模塊的失效分為早期失效、中期失效和晚期失效。早期失效原因一般是工藝缺陷、品控等，在出廠時(shí)可以通過(guò)檢測(cè)篩選試驗(yàn)檢出。中期失效為偶然發(fā)生，受外部因素影響較大，屬隨機(jī)事件，例如驅(qū)動(dòng)電路故障、短路、過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)溫等。晚期失效原因是IGBT模塊在工作過(guò)程中承受電應(yīng)力和熱應(yīng)力的循環(huán)沖擊，多種應(yīng)力疊加并施加在IGBT上，從而導(dǎo)致器件失效。

根據(jù)失效的誘發(fā)因素，可以將IGBT的失效類(lèi)型分為突發(fā)性強(qiáng)應(yīng)力作用失效和自然老化疲勞失效。IGBT自然老化疲勞失效又可以分為封裝級(jí)失效和芯片級(jí)失效。

2.1 封裝級(jí)失效

封裝級(jí)失效可以分為鍵合線脫落和焊料層老化，對(duì)應(yīng)的位置分別為鍵合線和焊料層[2]。

鍵合線脫落的封裝級(jí)失效失效原因?yàn)閼?yīng)力疲勞、線間電磁力，失效機(jī)理為材料熱膨脹系數(shù)差異、鍵合點(diǎn)應(yīng)變以及線間電磁力導(dǎo)致鍵合線脫落，失效的影響是鍵合線脫落。

焊料層老化的封裝級(jí)失效失效原因?yàn)閼?yīng)力疲勞，其失效機(jī)理為材料熱膨脹系數(shù)差異、結(jié)合面產(chǎn)生裂紋，失效的影響是焊料層老化、熱阻增大和散熱受阻，最終導(dǎo)致IGBT燒毀。

2.2 芯片級(jí)失效

芯片級(jí)失效可以分為電氣過(guò)應(yīng)力、靜電荷放電、輻射損傷和過(guò)熱應(yīng)力。電氣過(guò)應(yīng)力失效原因?yàn)檫^(guò)電壓，其失效機(jī)理為柵極氧化層被擊穿和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)，失效的影響是絕緣退化、閾值電壓漂移和柵極電壓控制失效。靜電荷放電失效原因?yàn)殪o電荷放電，其失效機(jī)理為人體放電、集電極柵極放電和鄰近強(qiáng)帶電體柵極感應(yīng)放電，失效的影響是局部柵極氧化層擊穿和熱損傷。輻射損傷的失效機(jī)理為高能粒子碰撞，失效的影響是升溫、熱損傷。過(guò)熱應(yīng)力失效原因?yàn)殡娏鬟^(guò)大、大電流產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，其失效機(jī)理為電流脈沖失效、安全工作區(qū)超限和靜態(tài)擎住效應(yīng)，失效的影響是升溫、熱損傷，最終導(dǎo)致IGBT模塊燒毀。

2.3 IGBT失效的特征參數(shù)

大功率IGBT電力電子變流裝置（例如整流器、逆變器等）由多個(gè)IGBT組成。根據(jù)IGBT在電力電子變流裝置中的故障類(lèi)型，可以以將IGBT故障分為2類(lèi)，即突發(fā)故障和老化故障。

突發(fā)故障發(fā)生后，如果不能及時(shí)處置，并采取有效措施，那么會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)災(zāi)難性后果。老化故障過(guò)程緩慢且不易察覺(jué)，老化故障發(fā)生后不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成太大影響，在工業(yè)應(yīng)用中，此類(lèi)故障的處理方法主要是提取老化特征因子，判斷其健康狀態(tài)，并對(duì)IGBT壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

IGBT失效的特征參數(shù)可以分為2類(lèi)，即基于電流參數(shù)和基于電壓參數(shù)。對(duì)于基于電流參數(shù)的失效特征參數(shù)，可以采用數(shù)字信號(hào)處理方法提取老化故障特征參數(shù)。對(duì)方便提取電壓參數(shù)的電力電子變流裝置來(lái)說(shuō)，將電壓參數(shù)作為故障特征參數(shù)，可以更精確地判斷IGBT的狀態(tài)，在工業(yè)應(yīng)用中更普遍。

IGBT失效通常表現(xiàn)在電氣特征參數(shù)的變化上，該變化一般是由結(jié)溫過(guò)高引起的[3]。電氣特征參數(shù)主要包括集電極-發(fā)射極關(guān)斷尖峰電壓VCE-p、柵極-發(fā)射極關(guān)斷尖峰電壓VGE-np、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE-sat、內(nèi)部結(jié)溫（Tj）以及模塊熱阻（Rth）。一般使用這些電氣特征參數(shù)評(píng)估IGBT的健康狀態(tài)，并預(yù)測(cè)剩余使用壽命。

由于測(cè)量?jī)?nèi)部結(jié)溫Tj需要打開(kāi)IGBT模塊外殼，操作不當(dāng)可能會(huì)對(duì)模塊的封裝造成不可逆損壞，因此在實(shí)際應(yīng)用中的可行性不高。

IGBT的電氣參數(shù)VGE和VGE可以作為其健康狀態(tài)的有效評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，VGE和VGE這2組數(shù)據(jù)均與結(jié)溫Tj的變化緊密相關(guān)，而且VGE和VGE參數(shù)方便測(cè)量，在實(shí)際應(yīng)用中的可行性較高、操作簡(jiǎn)單且成本低。相關(guān)研究表明，VGE和VGE在全生命周期失效瞬間均會(huì)出現(xiàn)電壓跳躍，該跳躍電壓在短時(shí)間內(nèi)迅速上升、又降低。一般認(rèn)為該現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是IGBT的各組件內(nèi)部分布雜散電感，在IGBT關(guān)斷的瞬間，集電極IC電流迅速降為零，反并聯(lián)二極管逆向恢復(fù)并產(chǎn)生較大電壓，疊加作用于直流母線，進(jìn)而形成電壓尖峰。

為提取IGBT失效的特征參數(shù)，本文將集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE-sat的變化趨勢(shì)作為IGBT健康狀態(tài)評(píng)估的參數(shù)。

3 IGBT失效特征參數(shù)提取

3.1 IGBT加速老化試驗(yàn)方法

IGBT電力電子變流裝置的全周期壽命驗(yàn)證，到目前為止，無(wú)對(duì)應(yīng)的加速老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和老化試驗(yàn)方法。溫度是導(dǎo)致IGBT失效的最重要因素。傳統(tǒng)IGBT測(cè)試普遍采用臺(tái)架試驗(yàn)，成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、結(jié)溫監(jiān)測(cè)不靈活且能耗高。由于在實(shí)際工程應(yīng)用中IGBT模塊的老化過(guò)程較緩慢、壽命周期較長(zhǎng)，因此其老化數(shù)據(jù)收集難度較大，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。IGBT電力電子變流裝置的快速發(fā)展亟需開(kāi)發(fā)IGBT加速老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為降低IGBT加速老化試驗(yàn)的時(shí)間成本、資金成本，并有效降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，本文提出一種基于模擬加載的逆變器試驗(yàn)方法，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并以該平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

本文設(shè)計(jì)了IGBT加速老化仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目的是為研究預(yù)測(cè)IGBT剩余使用壽命提供必要的數(shù)據(jù)支持。本文搭建的IGBT加速老化仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用直流功率循環(huán)的方法模擬并加速I(mǎi)GBT的老化過(guò)程，并在其老化過(guò)程中實(shí)時(shí)收集相關(guān)電氣參數(shù)，建立IGBT加速老化數(shù)據(jù)庫(kù)，為提取IGBT失效特征參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持。加速老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電路如圖2所示。

試驗(yàn)用逆變器的功率比較大，如果直接采用三相全橋逆變電路來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，那么必須在交流輸出側(cè)配備大功率負(fù)載電機(jī)和機(jī)械負(fù)載，同時(shí)在直流輸入側(cè)配備1臺(tái)大功率直流電源，因此能耗較高。為簡(jiǎn)化對(duì)陪試設(shè)備的要求，本文采用圖2所示的加速老化試驗(yàn)電路。該電路利用一個(gè)在整流狀態(tài)下工作的三相橋來(lái)模擬電機(jī)，省去了負(fù)載電機(jī)和機(jī)械負(fù)載，同時(shí)逆變器輸出的交流電由模擬電機(jī)整流成直流電并返回直流側(cè)，使電能在逆變器和模擬電機(jī)間不斷循環(huán)，因此直流電源端僅需提供電力電子器件損耗相當(dāng)?shù)哪芰?，可以?jié)約大量能源。

基于圖2所示試驗(yàn)方案，搭建模擬加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。逆變器的冷卻方式采用水冷冷卻（水溫恒定為25 ℃，流速20 L/min）。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)采用功率模塊FF600R12ME4進(jìn)行直流、交流變換。為減少電磁干擾，并提高IGBT驅(qū)動(dòng)的可靠性，該平臺(tái)將光纖作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)使用FLUKE TiX880紅外熱成像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，并采用大功率直流電源為直流母線供電，直流母線電壓為440 V。將Ti公司的DSP2812芯片作為核心控制板，以控制算法，并研究開(kāi)關(guān)頻率、調(diào)制算法、相電流、環(huán)境溫度和冷卻條件等因素對(duì)芯片結(jié)溫的影響規(guī)律。為了提取IGBT失效特征參數(shù)，本文采用試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 IGBT加速老化試驗(yàn)控制策略

IGBT加速老化試驗(yàn)選用6個(gè)編號(hào)為T(mén)1～T6的IGBT，由于使用FLUKE TiX880紅外熱成像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度非常便捷，在試驗(yàn)中采用使結(jié)溫變化ΔTj為固定值的加速老化策略。利用周期性的PWM脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)功率循環(huán)，其周期由正弦電流的最大值和電流持續(xù)時(shí)間決定。試驗(yàn)主電路由6個(gè)IGBT模塊和模擬電機(jī)負(fù)載組成，使負(fù)載嚴(yán)格對(duì)稱，以保證每條并聯(lián)支路上流過(guò)的電流相等。在1個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)IGBT導(dǎo)通后，芯片溫度Tj開(kāi)始上升，當(dāng)Tj升至試驗(yàn)設(shè)定值Tjmax時(shí)，IGBT被關(guān)斷并開(kāi)始散熱，散熱期間停止數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；當(dāng)Tj降至Tjmin時(shí)，IGBT導(dǎo)通后重新加熱，并繼續(xù)監(jiān)測(cè)收集數(shù)據(jù)，即采用升溫、散熱并使Tj維持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)的方法加速I(mǎi)GBT老化過(guò)程。

試驗(yàn)選用對(duì)柵極（G極）施加周期性方波電壓信號(hào)的加速老化策略來(lái)獲取IGBT加速老化過(guò)程中的電氣參量數(shù)據(jù)。對(duì)G極施加頻率為1 kHz、占空比為50%的方波電壓信號(hào)，使器件處于持續(xù)過(guò)流高溫狀態(tài)。在設(shè)備開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2640A記錄柵極電壓、集電極電壓、集電極電流、發(fā)射極電壓、發(fā)射極電流、封裝溫度和采集時(shí)間等數(shù)據(jù)。以IGBT是否出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)為標(biāo)志，出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)即認(rèn)定為器件失效。

3.3 IGBT加速老化試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)期間實(shí)時(shí)收集關(guān)鍵電氣參數(shù)，直到器件失效。加速老化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

為保證試驗(yàn)時(shí)溫度的一致性，將加速老化試驗(yàn)電路放入大功率環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)。為了使試驗(yàn)結(jié)果更全面，需要改變IGBT模塊（T1～T6）的型號(hào)，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～表4。

如果IGBT模塊（T1～T6）選用450 A模塊FF450R12ME4，那么加速老化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

如果IGBT模塊（T1～T6）選用300 A的模塊FF300R12ME4，那么加速老化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

如果IGBT模塊（T1～T6）選用225 A的模塊FF225R12ME4P，那么加速老化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表1～表3試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境試驗(yàn)箱溫度為10 ℃時(shí)，VCE-sat初始值在1.75 V附近，并最終在2.03 V附近失效；當(dāng)環(huán)境試驗(yàn)箱溫度為40 ℃時(shí)，VCE-sat初始值在2.00 V附近，并最終在2.32 V附近失效。

表4試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境試驗(yàn)箱溫度為10 ℃時(shí)，VCE-sat初始值在1.85 V附近，并最終在2.15 V附近失效；當(dāng)環(huán)境試驗(yàn)箱溫度為40 ℃時(shí)，VCE-sat初始值在2.10 V附近，并最終在2.44 V附近失效。

3.4 IGBT失效特征參數(shù)提取

表1～表4為試驗(yàn)過(guò)程中采集電路收集的數(shù)據(jù)，由于各IGBT管存在個(gè)體差異，因此6個(gè)IGBT的參數(shù)并不完全一致，但是整體趨勢(shì)相似，均為隨著器件老化，VCE-sat數(shù)值逐漸上升。為驗(yàn)證IGBT的失效閾值，試驗(yàn)收集了4種IGBT模塊8組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在芯片溫度波動(dòng)范圍較大的情況下，其老化周期相對(duì)較短，老化速度相對(duì)較快；當(dāng)結(jié)溫Tj較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的IGBT循環(huán)周期變短，壽命也變短。原因是溫度越高，芯片所受熱應(yīng)力越強(qiáng)，導(dǎo)致鋁線鍵合線發(fā)生脫落、焊料層開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生概率增加，并且隨著功率循環(huán)周期增加，VCE-sat也逐漸升至臨界值。試驗(yàn)期間實(shí)時(shí)收集關(guān)鍵電氣參數(shù)，直到器件失效。

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)6組IGBT失效時(shí)，VCE-sat值比初始值增加了約16%。由于器件參數(shù)存在個(gè)體差異和試驗(yàn)誤差，因此6組IGBT采集的初始電壓和失效時(shí)電壓存在偏差，但是器件失效時(shí)的VCE-sat增量均保持在16%～20%的失效閾值范圍內(nèi)。

表1～表4的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)IGBT模塊器件失效時(shí)，VCE-sat增量為16%以上，可以將16%作為IGBT的VCE-sat失效閾值。

4 結(jié)語(yǔ)

IGBT自然老化疲勞失效分為封裝級(jí)失效和芯片級(jí)失效，封裝級(jí)失效通常在早期可以發(fā)現(xiàn)，芯片級(jí)失效通常以熱損壞為主。加速老化試驗(yàn)表明，當(dāng)IGBT模塊器件失效時(shí)，VCE-sat增量為16%以上，因此可以將16%作為IGBT的VCE-sat失效閾值。

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