重復(fù)過(guò)流沖擊下IGBT的性能退化研究

劉　丹，　徐正國(guó)

重復(fù)過(guò)流沖擊下IGBT的性能退化研究

劉丹，徐正國(guó)

（浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310027）

實(shí)際應(yīng)用中，功率變流器經(jīng)常會(huì)發(fā)生過(guò)流，重復(fù)的過(guò)流沖擊會(huì)造成其功率器件絕緣柵型雙極性晶體管（IGBT）的性能退化，并形成累積損傷，最終導(dǎo)致失效，而突然的失效會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失和安全問(wèn)題，故需對(duì)重復(fù)過(guò)流沖擊下IGBT的性能退化進(jìn)行研究，建立相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)方法.針對(duì)目前對(duì)IGBT在重復(fù)過(guò)流下性能退化的研究較欠缺，搭建了過(guò)流沖擊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的重復(fù)過(guò)流沖擊實(shí)驗(yàn)；采集重復(fù)過(guò)流沖擊過(guò)程中IGBT外部端子的電氣量，并提出相應(yīng)的新的性能退化指標(biāo)——導(dǎo)通電阻.結(jié)果表明：重復(fù)過(guò)流沖擊會(huì)造成IGBT的性能退化，影響其外部電氣特性；提出的退化指標(biāo)——導(dǎo)通電阻明顯地表征了IGBT內(nèi)部累積損傷的程度.

絕緣柵型雙極性晶體管（IGBT）；過(guò)流；退化；導(dǎo)通電阻

近年來(lái)，功率變流器在機(jī)車牽引、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)、航空電源和可再生能源并網(wǎng)發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.一旦功率變流器發(fā)生故障，輕則造成系統(tǒng)停機(jī)，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失；重則引起安全事故.根據(jù)關(guān)于功率變流器的可靠性工業(yè)調(diào)研報(bào)告顯示［1］，功率變流器各組成單元中，最易失效的是功率器件；在功率器件的使用類別中，絕緣柵型雙極性晶體管（IGBT）器件占主導(dǎo)地位.實(shí)際運(yùn)行中，由于工況不穩(wěn)定及劇烈的波動(dòng)性，使得功率變流器中的核心器件——功率器件，長(zhǎng)期承受電熱沖擊，易引起老化失效［2］.因此，研究功率器件IGBT在電熱沖擊下的性能退化，便可據(jù)此提出相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)方案，能大大提高IGBT的可靠性，也將提高功率變流器的可靠性.

目前，研究功率器件IGBT在電熱沖擊下的性能退化而引起老化失效大致有3種：熱功率循環(huán)累積失效、熱載流子累積失效和重復(fù)短路脈沖沖擊累積失效.

熱功率循環(huán)累積失效，是指IGBT在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)受到高溫和溫度波動(dòng)帶來(lái)的沖擊，導(dǎo)致其焊錫層疲勞，損壞散熱通道或鍵合線斷裂，導(dǎo)致結(jié)溫最終上升，當(dāng)超過(guò)一定溫度時(shí)，引起本征激發(fā)，發(fā)生短路故障.文獻(xiàn)［3］中進(jìn)行了IGBT的熱功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)，并提取故障指標(biāo)，即當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)電壓波形關(guān)斷時(shí)的尖峰.

熱載流子累積失效，是指在柵極電壓很高或IGBT外封裝破損時(shí)，IGBT內(nèi)的載流子因能量過(guò)高而進(jìn)入柵極氧化層，形成電荷累積，退化指標(biāo)是IGBT柵極的閾值電壓下降，最終導(dǎo)致IGBT柵極擊穿而失控［4］.目前，由于柵極電路一般都比較穩(wěn)定，故熱載流子累積效應(yīng)一般不發(fā)生.

重復(fù)短路脈沖沖擊累積失效，是指IGBT重復(fù)承受短路脈沖沖擊而引發(fā)的累積失效，在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的短路脈沖沖擊后，IGBT會(huì)在關(guān)斷過(guò)程中，電流急劇上升，最終發(fā)生短路故障.文獻(xiàn)［5-7］中研究了IGBT因重復(fù)短路脈沖沖擊而累積失效的機(jī)理，即IGBT芯片上的鋁金屬層重構(gòu)和鍵合線脫落，提出了相應(yīng)的退化指標(biāo)，即短路電流和通態(tài)電阻.

然而，在功率變流器實(shí)際應(yīng)用中，由于其過(guò)流保護(hù)的存在，使得功率器件IGBT承受重復(fù)的過(guò)流沖擊，而不是短路沖擊，但有關(guān)IGBT承受過(guò)流沖擊研究比較欠缺，因此，本文主要研究IGBT在重復(fù)過(guò)流沖擊下的性能退化現(xiàn)象.

1　問(wèn)題描述

實(shí)際運(yùn)行中，IGBT作為功率器件會(huì)經(jīng)常受到過(guò)流沖擊，引起過(guò)流的原因?yàn)椋?］：①電機(jī)負(fù)載突變，引起沖擊過(guò)大；②電機(jī)和電機(jī)電纜相間或每相對(duì)地絕緣破壞，造成匝間或相間對(duì)地短路；③電機(jī)的漏抗、電機(jī)電纜的耦合電抗的變化；④輸出端與電機(jī)距離太遠(yuǎn)，導(dǎo)致電纜等效電容變大；⑤輸出側(cè)有功率因數(shù)矯正電容或浪涌吸收裝置；⑥裝測(cè)速編碼器時(shí)，速度反饋信號(hào)丟失或非正常；⑦內(nèi)部參數(shù)設(shè)定問(wèn)題：加減速太短，比例-積分-微分控制器（PID）調(diào)節(jié)器比例P、積分時(shí)間I參數(shù)不合理，超調(diào)過(guò)大等；⑧硬件問(wèn)題：如電流傳感器損壞.

實(shí)際應(yīng)用中，功率變流器一般會(huì)設(shè)有過(guò)流保護(hù).以變頻器為例，當(dāng)檢測(cè)到峰值超過(guò)了額定電流的200%且?guī)в型蛔冃再|(zhì)的電流值，變頻器就會(huì)顯示OC（Over Current），表示已經(jīng)過(guò)流，封鎖變頻器輸出并進(jìn)行報(bào)警［8］.而當(dāng)IN＜I＜2IN（IN為變頻器額定電流）時(shí)，變頻器既不會(huì)報(bào)警停止工作，重復(fù)的過(guò)流沖擊又會(huì)給IGBT造成累積損傷，最終導(dǎo)致其發(fā)生失效.本文針對(duì)該種累積失效情況，搭建過(guò)流沖擊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)IGBT進(jìn)行重復(fù)過(guò)流沖擊，同時(shí)采集IGBT外部電氣參數(shù)，研究IGBT在重復(fù)過(guò)流沖擊下的性能退化過(guò)程.

圖1　過(guò)流沖擊實(shí)驗(yàn)框圖Fig.1　Overview for the overcurrent experimental circuit

2　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)過(guò)流沖擊所需實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)的原理圖見(jiàn)圖1，主電源提供過(guò)流沖擊的能量，通過(guò)與負(fù)載的配合，使得沖擊IGBT的電流I滿足：IN＜I＜2IN；DUT為待測(cè)IGBT，驅(qū)動(dòng)電壓為周期3 s，脈寬1 ms的脈沖寬度調(diào)制（PWM）波形，即待測(cè)IGBT每3 s中只有1 ms是導(dǎo)通的，在此期間承受過(guò)流沖擊，周期設(shè)為3 s，這是為了避免IGBT在單次過(guò)流沖擊后，引起IGBT的平均溫升給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)影響；電爐絲作為感性負(fù)載，模擬電機(jī)負(fù)載的單相結(jié)構(gòu).數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM波形；驅(qū)動(dòng)電路用于將控制波形放大來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷；溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)IGBT的殼溫；溫控儀是當(dāng)待測(cè)IGBT承受足夠多次的過(guò)流沖擊后，發(fā)生短路引起電路的持續(xù)溫升時(shí)，根據(jù)采集到的IGBT殼溫，通過(guò)設(shè)定溫度上限切斷主回路，防止電路燒毀爆炸等.

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)IGBT的集電極電流IC、IGBT的集電極-發(fā)射極電壓UCE和IGBT的柵極-發(fā)射極電壓UGE3個(gè)電氣量通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行高速采集，其中，電流信號(hào)通過(guò)串接在主回路中的分流器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)得到.

2.2實(shí)驗(yàn)電路

根據(jù)過(guò)流沖擊實(shí)驗(yàn)框圖搭建過(guò)流沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，見(jiàn)圖2.包括主電路、控制電路和測(cè)量電路三部分.實(shí)際部分與原理框圖中基本對(duì)應(yīng)，不再贅述.

圖2　過(guò)流沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2　Photo of the overcurrent experimental platform

3　退化指標(biāo)

3.1特性描述

IGBT的輸出特性曲線如圖3所示.IGBT開(kāi)通過(guò)程中，隨著柵壓UGE的增大，其輸出特性由未導(dǎo)通前的正向阻斷區(qū)，到導(dǎo)通過(guò)程中的線性放大區(qū)，最后到完全導(dǎo)通時(shí)穩(wěn)定在飽和區(qū)［9］.由圖3可見(jiàn)，在IGBT完全導(dǎo)通時(shí)穩(wěn)定在飽和區(qū)中，其輸出特性呈線性關(guān)系，即電阻特性.同時(shí)，根據(jù)重復(fù)短路沖擊的退化機(jī)理，重復(fù)的短路沖擊會(huì)引起IGBT的鋁金屬層重構(gòu)和鍵合線脫落，進(jìn)而引起集電極-發(fā)射極通道的電阻增大［10］，而過(guò)流與短路從沖擊本身的角度來(lái)說(shuō)，只是程度大小上的差異.因此，本文將IGBT完全導(dǎo)通時(shí)的電流、電壓電氣量提取出來(lái)，并將兩者相除，提出退化指標(biāo)——導(dǎo)通電阻Ron，得到IGBT完全導(dǎo)通時(shí)的電阻特性，從而表征重復(fù)過(guò)流沖擊下的IGBT性能退化程度.

圖3　IGBT的輸出特性Fig.3　The output characteristics of IGBT

3.2計(jì)算公式

退化指標(biāo)——導(dǎo)通電阻Ron得到過(guò)程為：截取電氣量UCE和IC每個(gè)周期中完全導(dǎo)通的部分，將UCE和IC導(dǎo)通部分的瞬時(shí)值相除，再進(jìn)行均方根處理.計(jì)算公式為

式中，uon和ion分別為IGBT集電極-發(fā)射極電壓UCE和集電極電流IC導(dǎo)通區(qū)間部分.

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1實(shí)驗(yàn)波形

用LABVIEW采集3個(gè)電氣量的單個(gè)周期波形圖如圖4所示，下方的波形為IGBT集電極電流IC波形，上方的波形為IGBT柵極-發(fā)射極電壓UGE波形，中間的波形為IGBT集電極-發(fā)射極電壓波形UCE.因3 s的周期內(nèi)只有1 ms導(dǎo)通，導(dǎo)通區(qū)間很小，將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，對(duì)導(dǎo)通部分進(jìn)行放大顯示，如圖5所示.由圖4、5可知，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了過(guò)流沖擊的實(shí)驗(yàn)要求.

圖4　LabVIEW采集的三通道波形圖Fig.4　The threechannel waveform of LabVIEW acquisition

圖5　MATLAB中顯示出的三通道波形導(dǎo)通區(qū)間局部放大圖Fig.5　Partial enlargement of onstate interval in threechannel waveform in MATLAB

4.2處理結(jié)果

為更好地將提出的退化指標(biāo)——導(dǎo)通電阻Ron與其他電氣量的變化進(jìn)行對(duì)比參照，截取出3個(gè)電氣量UCE、UGE和IC每個(gè)周期中完全導(dǎo)通部分，對(duì)其取均方根值，作為該次過(guò)流沖擊下的電氣表征量Uce、Uge和Ic，計(jì)算式為：

式中：uon為IGBT集電極-發(fā)射極電壓UCE的導(dǎo)通區(qū)間部分；ugon為IGBT柵極-發(fā)射極電壓UGE的導(dǎo)通區(qū)間部分；ion為IGBT集電極電流IC的導(dǎo)通區(qū)間部分.uon、ugon、ion分別如圖6中橢圓框內(nèi)所示部分.

圖6　電壓、柵壓和電流導(dǎo)通部分示意圖Fig.6　Schematic for onstate interval of voltage，gate voltage and current

通過(guò)DSP的控制，使IGBT承受重復(fù)的過(guò)流沖擊而性能退化，對(duì)其進(jìn)行足夠多次的過(guò)流沖擊后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上述處理，得到3個(gè)電氣表征量和退化特征量隨沖擊次數(shù)變化圖如圖7所示.由圖可見(jiàn)，柵壓Uge與實(shí)際應(yīng)用中一致，保持基本不變；集電極-發(fā)射極電壓Uce呈上升趨勢(shì)；集電極電流Ic呈下降趨勢(shì)；導(dǎo)通電阻Ron呈上升趨勢(shì)，比其他電氣量的變化更明顯.

圖7　過(guò)流沖擊過(guò)程中各電氣參數(shù)及退化指標(biāo)變化圖Fig.7　Change of terminal electrical parameters and aging indictor during the process of overcurrent experiments

5　結(jié)　語(yǔ)

功率變流器實(shí)際應(yīng)用中，功率器件IGBT因承受長(zhǎng)期的過(guò)流沖擊而性能退化，最終導(dǎo)致累積失效.本文研究了在重復(fù)過(guò)流沖擊下IGBT的性能退化，搭建IGBT過(guò)流沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采集UCE、UGE和IC3個(gè)電氣量，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理.研究發(fā)現(xiàn)，隨過(guò)流沖擊次數(shù)的增多，IGBT導(dǎo)通時(shí)的集射電壓增大，集電極電流減小，表明過(guò)流沖擊確實(shí)對(duì)IGBT造成了累積損傷，并使其工作性能退化.提出的退化指標(biāo)——導(dǎo)通電阻Ron比其他電氣量有比較明顯的增大趨勢(shì)，可直接表征IGBT內(nèi)部損傷的程度.

然而，實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)通電阻Ron會(huì)受柵壓、工作溫度和工作點(diǎn)的影響.若想將導(dǎo)通電阻Ron這一指標(biāo)運(yùn)用在IGBT的性能退化在線監(jiān)測(cè)中，還需進(jìn)一步研究.

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（編輯呂丹）

Performance Degradation Research on lGBT under Repetitive OverCurrent Conditions

LIU Dan，XU Zhengguo
（State Key Laboratory of Industrial Control Technology，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

In the practical application，over-current conditions often emerge during the operation of power converters.The repetition of over-current conditions is responsible for the performance degradation and cumulative damage of power devices（IGBTs），which eventually leads to a failure.Since sudden failures will cause safety issues and economic losses，it is necessary to investigate the performance degradation of IGBT under repetitive over-current conditions and establish the corresponding on-line monitoring approaches.However，the research about performance degradation of IGBT under repetitive over-current conditions is insufficient.An experimental platform was presented，with which a series of repetitive overcurrent experiments had been completed.In the meantime，terminal electrical characteristics of IGBT were acquired to extract a new aging indicator，on resistance.The experimental results showed that the performance of IGBT degraded under repetitive over-current conditions，which affected the terminal electrical characteristics of IGBT.And the proposed aging indictor，on resistance，evidently showed the degree of accumulative damage in IGBT.

insulated gate bipolar transistors（IGBT）；over-current；degradation；on resistance

TN 77

A

1671-7333（2015）03-0232-04

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.03.005

2015-01-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61473254，61134001）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA06A404）

劉丹（1991-），女，碩士生，主要研究方向?yàn)镮GBT的故障診斷和故障預(yù)測(cè).E-mail：21332085＠zju.edu.cn

徐正國(guó)（1979-），男，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)可靠性分析、故障診斷與預(yù)測(cè).E-mail：xzg＠zju.edu.cn