功率半導體IGBT熱擊穿失效的可靠性研究

摘要：針對變頻空調使用緣柵雙極型晶體管（IGBT）擊穿短路故障進(jìn)行分析，確認IGBT為過(guò)壓損壞失效?？照{供電電源出現大的波動(dòng)影響芯片供電電源質(zhì)量，電壓偏低導致IGBT開(kāi)通異常，不能及時(shí)欠壓保護，IGBT 長(cháng)時(shí)間處于工作在放大狀態(tài)，IGBT開(kāi)通損耗大熱擊穿失效。本文主要從電路設計，工作環(huán)境，模擬驗證等方面分析研究，確認IGBT擊穿短路失效原因，從設計電路與物料選型優(yōu)化提升產(chǎn)品工作可靠性。

關(guān)鍵詞：驅動(dòng)芯片；欠壓保護；熱擊穿；共地線(xiàn)；電源波動(dòng)；諧波

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）是一種綜合了金屬 - 氧化物半導體場(chǎng)效應晶體 管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET）和雙極型晶體管（bipolar junction transistor， BJT）結構的復合器件，并且同時(shí)吸收了二者的優(yōu)點(diǎn)， 具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、驅動(dòng)功率小、飽和壓降 低、控制電路簡(jiǎn)單和承受電流大等特性，在各種電力電子變換裝置中得到了廣泛的應用。自 1986 年投入市場(chǎng)后，IGBT 迅速擴展應用領(lǐng)域，成為中、大功率電力電子裝置的主導器件，不僅應用于電力系統，而且也廣泛應用于一般工業(yè)、交通運輸、通信系統、計算機系統和新能源系統。PFC 升壓 v 電路中 IGBT 擊穿短路，導致電路多個(gè)器件失效，電路工作可靠性存在不足。

1 背景

變頻外機控制器 PFC 電路、開(kāi)關(guān)電源電路多個(gè)器件擊穿短路失效，檢測相同點(diǎn)均有 IGBT 短路失效，并伴隨電路其它器件保險管、整流橋、IGBT、驅動(dòng)芯片、檢測電流電阻等也有不同程度失效，分析均為 IGBT 失效影響?？刂破骶鶠槭褂迷诙唐趦仁?，故障存在同一用戶(hù)維修多臺空調的情況。

2 IGBT失效機理以及驅動(dòng)芯片分析

通過(guò)分析得出，用戶(hù)電網(wǎng)存在其它的大型電壓設備電機，由于三相交流電機本體有氣隙磁場(chǎng)畸變、逆變控制過(guò)程中的死區時(shí)間等問(wèn)題，在三相交流電網(wǎng)及電機輸入端的電能中產(chǎn)生大量的諧波。而這些諧波給三相交流電網(wǎng)其它設備帶來(lái)了巨大的潛在危害。電源電壓跌落、電壓尖峰、諧波等導致電源一直處在波動(dòng)狀態(tài)，IGBT 由于電路驅動(dòng)芯片無(wú)欠壓保護一直工作在放大狀態(tài)導致失效。

2.1 器件單體分析

2.1.1 IGBT性能與X光測試

對失效器件進(jìn)行分析，主要失效器件為 IGBT，并導致其它功率器件整流橋、保險管、電流檢測電阻失效。萬(wàn)用表測試 IGBT 三腳短路，整流橋不同管腳短路，見(jiàn)下圖 1，X 光核實(shí)內部過(guò)電損傷。

2.1.2 開(kāi)封分析

對 IGBT 開(kāi)封確認樣品失效點(diǎn)，見(jiàn)圖 2，晶圓部分存在過(guò)電損傷點(diǎn)，分析為過(guò)電導致晶圓擊穿短路，器件本身未發(fā)現異常。

2.2 工作環(huán)境分析

通過(guò)對多個(gè)空調使用環(huán)境電源波形測試情況分析，主要是電源電壓高，存在諧波較多，電源電壓不穩定存在較大波動(dòng)。用戶(hù)均有使用大功率電機等設備，且空調與設備處于同一個(gè)電網(wǎng)中，均使用同一個(gè)變壓器，確認空調使用環(huán)境電源質(zhì)量較差，異常波動(dòng)較大。

2.2.1 電壓高存在毛刺

在對建材公司發(fā)現電源電壓均存在偏高的情況，見(jiàn)下圖 4 所示，最高可達 247 V 左右，電源監測中偶發(fā)有尖峰毛刺，用戶(hù)電網(wǎng)運行設備主要是運送貨物的起重機，空調裝在辦公室。

2.2.2 電壓存在諧波

在對建筑類(lèi)公司測試發(fā)現電網(wǎng)存在較高諧波的情況，見(jiàn)下圖 5 所示，空調主要安裝在員工宿舍使用。廠(chǎng)內均有大功率電機設備，生產(chǎn)用電與生活用電為同一個(gè)電路，當大型用電設備開(kāi)啟時(shí)，電源存在較大尖峰脈沖，峰值最高可達 400 V，相比正常額定工作電壓變化超過(guò) 70 V 以上，一個(gè)周期內存在多個(gè)諧波，單個(gè)諧波電壓最高 200 V，持續時(shí)間最長(cháng) 200 μs。

2.2.3 電壓存在跌落

用戶(hù)空調安裝在水泥攪拌站辦公室內，使用示波器測試用戶(hù)電壓波動(dòng)不穩定，見(jiàn)下圖 6 所示，在 257 V~202 V 之間一直跳變，同時(shí)出現電壓瞬間跌落的現象。

2.3 驅動(dòng)芯片分析

對失效數據分析，96% 以上失效 IGBT 電器盒均搭配使用的是 A 廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片，分析得出 A 廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片沒(méi)有欠壓鎖定功能。對 A 廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片和 B 廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片單體動(dòng)態(tài)參數對比測試，測試發(fā)現 A 廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片輸入懸空狀態(tài)，輸出默認為高電平輸出，A 廠(chǎng)家響 應時(shí)間比 B 廠(chǎng)家慢，無(wú)欠壓保護功能。具體測試如下：測試條件：使用穩壓源提供 15 V 電壓，信號發(fā)生器提供 3 V，10 kHz，50% 占空比信號。通道綠色為輸入信號，藍色為輸出信號。

2.3.1 A廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片

①響應時(shí)間，開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間為65 ns，如下圖7所示。

②輸入最低電壓測試，如下圖 8 所示，輸入電壓小于 1.8 V 出現無(wú)電壓輸出，電壓大于等于 1.8 V 可以恢復正常輸出。

③欠壓保護測試，如下圖 9 所示，將 15 V 電源電 壓從 15 V 慢慢調低至 2 V 后才出現無(wú)電壓輸出，電壓大于 2 V 后有電壓輸出，確認 A 廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片無(wú)欠壓保護。

2.3.2 B廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片

①響應時(shí)間，開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間為 26 ns, 如下圖 10 所示：

②輸入最低電壓測試，見(jiàn)下圖 11 所示，輸入電壓 小于 2.1 V 出現無(wú)電壓輸出，電壓大于等于 2.1 V 可以恢復正常輸出。

③欠壓保護測試，見(jiàn)下圖 12 所示，將 15 V 電源電壓從 15 V 慢慢調低至 8.5 V 出現無(wú)輸出欠壓保護狀態(tài)，調高到 9.25 V 后恢復正常輸出。

3 電路設計核查與模擬驗證

3.1 電路設計分析

強電 IGBT 負極與驅動(dòng)芯片負極走線(xiàn)共用一段走線(xiàn)，見(jiàn)下圖 13 所示，驅動(dòng)芯片通過(guò)這段走線(xiàn)才到高壓電解電容負極（終點(diǎn)零電位），屬于驅動(dòng)芯片負極走線(xiàn)的方案。此種走線(xiàn)方式容易使器件受開(kāi)關(guān)噪聲和共差模等因素干擾，當外界電壓出現異常時(shí)，地線(xiàn)引入干擾較大，從而導致驅動(dòng)芯片無(wú)法控制IGBT，導致IGBT沖擊失效，在電源質(zhì)量較差波動(dòng)較大情況下易出現 IGBT 擊穿短路問(wèn)題。

3.2 模擬驗證

對 IGBT 失效故障板進(jìn)行模擬驗證，使用 A 廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片采用共地線(xiàn)電電路設計的控制器在整機驗證使用電源跌落沖擊電壓驗證，見(jiàn)下圖 14 所示為輸出波形。經(jīng)實(shí)驗模擬驗證 A 廠(chǎng)家驅動(dòng)方案共地線(xiàn)電路在電源不穩定的環(huán)境下容易出現 IGBT 擊穿短路。A 廠(chǎng)家的驅動(dòng)芯片缺少欠壓保護等功能，在外部電源異常時(shí)容易引起 IGBT 出現不飽和導通而失效。模擬驗證失效主板可以復現 IGBT 擊穿短路，將故障 A 廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片與正常品對調后使用電源跌落沖擊電壓，故障跟隨驅動(dòng)芯片走，確認微芯驅動(dòng)芯片也存在失效。

A 廠(chǎng)家芯片設計無(wú)欠壓保護，實(shí)際排查發(fā)現部分損傷樣品接線(xiàn)板處有電打火痕跡，對打火位置進(jìn)行模擬分析，使用拉弧工裝模擬見(jiàn)下圖 15 所示，A 廠(chǎng)家方案可復現故障，使用 B 廠(chǎng)家方案不能復現故障，比較 2 個(gè)芯片發(fā)現失效的 A 廠(chǎng)家芯片無(wú)欠壓鎖定功能，分析在外部接觸不良或者電源電壓跌落時(shí)，使用 A 廠(chǎng)家芯片方案的驅動(dòng)信號會(huì )使 IGBT 工作在非飽和狀態(tài)，此時(shí) IGBT 為非正常狀態(tài)局部功耗較大進(jìn)而引起器件損傷，波形測試明確了該失效機理。

4 IGBT失效整改與驗證

經(jīng)過(guò)失效分析發(fā)現 A 廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片設計沒(méi)有欠壓保護功能，地線(xiàn)走線(xiàn)設計存在缺陷，強弱電地線(xiàn)沒(méi)有有效分開(kāi)導致在空調供電電源出現大的波動(dòng)影響芯片供電電源質(zhì)量，電壓偏低導致 IGBT 開(kāi)通異常，不能及時(shí)欠壓保護。在外部電源存在波動(dòng)時(shí)，15 V 驅動(dòng)信號變差， IGBT 器件存在不飽和導通，一直在米勒平臺的壓值附近振蕩，出現較長(cháng)的拖尾電流，IGBT 長(cháng)時(shí)間處于工作在放大狀態(tài)，IGBT 開(kāi)通損耗大熱擊穿失效。

主要是優(yōu)化地線(xiàn)走線(xiàn)方案，以及軟件控制策略?xún)?yōu)化。高頻線(xiàn)路地線(xiàn)對高速開(kāi)關(guān)的穩定性至關(guān)重要，將驅動(dòng)信號地線(xiàn)優(yōu)化至主電容接地點(diǎn)，將驅動(dòng)芯片的地與器件發(fā)射極的地分離開(kāi)，減少器件開(kāi)關(guān)噪聲和共差模干擾等因素。新整改電路經(jīng)驗證使用不同廠(chǎng)家 IGBT 與不同廠(chǎng)家驅動(dòng)芯片搭配，見(jiàn)下圖 16 所示，使用拉弧測試和電壓跌落測試未出現器件損傷，整機運行 PFC 正常開(kāi)啟，未出現保護現象，驗證整改效果有效。

5 失效整改總結及意義

IGBT擊穿短路失效主要原因為電路設計存在缺陷，物料選型無(wú)欠壓保護功能，當外界電源出現較大波動(dòng)時(shí)不能有效關(guān)斷導致失效。通過(guò)實(shí)際應用過(guò)程中的問(wèn)題反饋信息，本文從涉及 IGBT 擊穿短路的多方面因素進(jìn)行分析，對電路進(jìn)行優(yōu)化，解決了器件在應用環(huán)境中工作可靠性問(wèn)題，顯著(zhù)提高實(shí)際應運中的可靠性。

參考文獻:

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（注：本文轉自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）