IGBT門氧層老化故障模擬及其對開通特性的影響

張忻庾，向大為，鐘響

（同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804）

0 引言

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種全控型電力電子器件，具有驅動簡單、開關頻率高、容量大等優點。IGBT作為中大功率變換器的核心器件，廣泛應用于新能源發電、柔性直流輸電、軌道機車牽引、電動汽車驅動以及航空航天等重要領域[1]。然而，由于IGBT通常運行在高電壓、大電流以及高頻高速開關的惡劣環境下，其封裝結構與芯片本體往往會逐漸老化，最終導致IGBT完全失效甚至造成災難性后果或重大經濟損失與嚴重社會影響。研究IGBT失效機理及其特性可為IGBT健康狀態監測與故障預診斷提供依據，相關工作具有重要理論意義與工程價值。

目前，國內外研究的IGBT狀態監測與故障預診斷技術可大致歸納為三種方法：基于模型的方法、基于器件參數監測的方法以及基于變流器系統變量檢測的方法。基于模型的方法根據器件可靠性模型，利用器件結溫變化的歷史過程對模塊壽命進行預測。通過對器件可靠性模型進行大量研究（如Arrhenius 模型、Coffin-Manson 模型等[2]），并利用典型運行工況對器件設計壽命進行核算，Bryant、Musallam等[3-4]將該技術應用到實際運行的變流器系統中，在運行工況不斷變化的條件下進行“在線”壽命預計。文獻[5]通過電熱仿真研究了系統運行工作點對于發電機PWM諧波以及變流器功率器件結溫的影響；基于器件參數監測的預診斷方法對功率器件通態電壓Vce(on)、閾值電壓Vth、電流變化率di/dt等參數進行監測，一旦參數變化超過一定臨界值就表明出現老化或者故障。Brown等[6]將IGBT關斷時間作為診斷閂鎖失效的故障特征變量，在此基礎上提出計及溫度影響的IGBT閂鎖故障預診斷指標。Oukaoura[7]利用IGBT 通態電壓與結溫監測數據采用人工神經網絡建立器件模型，并通過實驗成功識別出故障與健康器件。文獻[8]介紹了一種PWM變流器現場雙脈沖測試的方法，現場測試利用變頻器停機間隙和電容儲能對電機繞組放電進行測試,無需額外增加硬件；基于變流器系統變量檢測的方法利用現成可測的變流器系統變量（散熱器溫度、輸出電壓/電流諧波）對器件運行健康狀態進行檢測。

如圖1所示，IGBT的門氧層是一層實現門極與發射極電氣絕緣的二氧化硅薄膜。由于門氧層很薄且擊穿電壓較低，因此是IGBT芯片中相對薄弱的環節。門氧層老化是一種常見的IGBT芯片類故障，但現有技術對其研究尚不夠充分。Patil[9]通過IGBT加速疲勞試驗發現門氧層老化會引起閥值電壓增加。文獻[10]指出，門氧層老化會在電介質中形成導電通路，從而引起IGBT泄漏電流的增加。Chen等[11]通過設計一種新型的智能門極驅動電路，可以實現對IGBT門氧層老化故障的診斷。文獻[12]中提出了一種基于FPGA的先進門極驅動器用，通過測量通態門極電壓、門極開通電荷等物理量，實現門氧層老化故障的診斷。由于現有技術均需要對變流器的門極驅動進行重新設計與調整，可能會增加系統的復雜性與成本。

為深入理解IGBT 的門氧層老化故障，論文開展了相關研究。首先對IGBT門氧層老化的機理進行討論；然后分析了IGBT門氧層老化故障對IGBT開通特性的影響；接下來研究IGBT門氧層老化故障的模擬方法；最后，通過實驗研究驗證IGBT門氧層老化故障對其開通特性的影響。論文工作可為研發IGBT門氧層老化故障預診斷技術提供一定參考。

1 IGBT門氧層老化機理

IGBT門氧層老化的主要機理包括經時擊穿（time dependent dielectric breakdown-TDDB）與熱載流子注入（hot carrier injection-HCI）。

圖1 IGBT結構Fig.1 IGBT structure

1.1 經時擊穿（TDDB）

經時擊穿（TDDB）是指當施加在MOS柵氧化層上的電場低于其本征擊穿場強時，并未引起本征擊穿，但經歷一定時間后柵氧化層發生了擊穿。TDDB是威脅器件和系統的壽命和長期工作可靠性的主要失效機制。當恒定電壓施加在IGBT內部MOS柵氧化層，氧化物的持續老化會在其內部產生導電通路，從而使得器件失去控制并擊穿短路。這一過程會隨著IGBT門極氧化層的厚度減小而急劇惡化。

經時擊穿通常分為兩個發展階段[13]。在第一階段中，全新的IGBT門氧層的陷落電荷密度很低，但直接隧穿電流會在電介質中產生中性缺陷。這些缺陷導致的陷阱輔助隧穿會對門氧層產生兩種影響。首先，現有的缺陷會捕獲到電荷，其外部特性表現為器件的閾值電壓與泄漏電流發生變化；其次，在氧化層內產生新缺陷。因此，IGBT門氧層由于分布在其內部或者表面的捕獲空穴或電子而遭到破壞。在第二階段中，氧化層內的陷落電荷密度逐漸升高，最終在氧化層內形成導電通路將MOS柵極與源極短路，最終導致IGBT的門極失效。

氧化層內產生的導電通路會導致兩種不同的失效類型。一旦形成導電通路，其流過的電流會急劇提高損耗，繼而產生局部熱點。如果IGBT依然繼續運行，則結果為軟擊穿；若門極由于氧化物層局部融化而失效，則為硬擊穿。對于軟擊穿，雖然IGBT閾值電壓與泄漏電流的變化幅度不大并且不會嚴重影響器件運行，但其效果會隨時間或者老化個體數目而積累，最終導致器件完全失效[14]。

1.2 熱載流子注入（HCI）

熱載流子注入（HCI）誘生的MOS器件老化是由于高能量的電子和空穴注入柵氧化層引起的，注入的過程中會產生界面態和氧化層陷落電荷，造成氧化層的損傷。熱載流子注入發生概率直接取決于溝道長度、氧化層厚度與器件的運行電壓。當流經溝道的漏源電流獲得的能量高于晶格溫度，就會產生熱載流子。對于尺寸很小的器件，即使在不很高的電壓下，也可產生很強的電場，從而易于導致出現熱載流子。這些熱載流子具有足夠的能量，從而被射入門氧層，導致電荷陷落與界面態。后者會使IGBT的外部特性（例如閾值電壓、跨導與漏電流等）發生變化，并隨著損傷程度的增加最終引起器件失效。射入的載流子通常會引起三種主要的損傷形式：先前存在的陷阱捕獲到空穴或者電子、形成新的電荷陷阱以及形成界面陷阱[15]。這些陷阱是根據其分布位置確定的，并且其影響不同。界面陷阱位于Si與SiO2的交界面，直接影響到跨導、泄漏電流與噪音水平。氧化層陷阱分布位置離交界面較遠，會影響到閾值電壓[16]。

2 IGBT門氧層老化對開通特性的影響

2.1 IGBT開通過程分析

如圖2 所示的IGBT等效模型，IGBT在結構上可近似等效為基極電流由MOSFET提供的晶體管。其中CGE為輸入電容，CGC為米勒電容，CCE為輸出電容，均為可變電容。針對IGBT門氧層老化對開通特性的影響，本節重點對米勒電容CGC進行分析。根據IGBT芯片結構，米勒電容是由IGBT的基區耗盡層電容Cdep與MOS氧化層電容COX串聯組成，兩者由如下公式確定：

其中，A為芯片總面積，αi為氧化層面積交疊比例，tox為氧化層厚度，εox為氧化物介電常數，εsi為硅介電常數，q為元電荷，NB為基區摻雜濃度。可見，Cdep及CGC均與VCE成負關系。

圖2 IGBT等效模型Fig.2 IGBT equivalent model

如圖3所示，在箝位感性負載條件下典型的IGBT開通過程可分為以下四個階段。

階段一（t0＜t＜t1）：在t0時刻，IGBT 門極電容開始充電，門極電壓VGE(t)按指數規律上升并在t1時刻到達閾值電壓VTH，IGBT門極溝道導通。

階段二（t1＜t＜t2）： 集電極電流iC(t)開始增大但集射極電壓VCE(t)保持不變。在達到負載電流之前，可認為IGBT集電極電流近似線性增大[17]。實際系統中主回路存在雜散電感LS。在集電極電流上升過程中，二極管尚未建壓（其通態壓降可忽略不計），因此IGBT集射極電壓可由VCE'=VDC-LsdiC/dt確定。在t1，時刻，集電極電流到達負載電流IL后，續流二極管的開始反向恢復，集電極電流繼續增大。由于IGBT的實際集射極間電壓并沒有下降，因此內部耗盡層尚未開始收縮，米勒電容依然保持較小值。Vge(t)仍按指數規律上升并超過米勒電壓VGP。在t2時刻，二極管反向恢復電流達到最大。

階段三（t2＜t＜t3）：在t2時刻后，IGBT集電極電流開始下降，續流二極管開始建壓，因此IGBT集射極電壓開始下降，同時米勒電容迅速增大，門極電流iG(t)為CGE放電，為CCE充電，引起米勒效應。從t2時刻到t2'時刻，門極電壓降至米勒電壓VGP，門極電流增大，從而導致VCE(t)以極快的速度下降（具體過程如下文（3）～（5）式分析）。在t2'時刻之后，門極電流iG(t)增大到IGP為米勒電容充電，門極電壓VCE(t)維持在米勒電壓（VGP）。此時，IGBT集射極電壓緩慢下降。

階 段 四（t3＜t＜t4）： 當 IGBT 集 射 極 電 壓VCE(t)下降到通態壓降后，米勒電容不再變化，米勒效應結束，門極電流iG(t)給輸入電容與米勒電容充電。VGE(t)按指數規律上升直到門極供電電壓VGE,ON。至此IGBT開通過程結束。

圖3 典型的IGBT開通過程（箝位感性負載）Fig.3 Turn-on characteristics of IGBT in a clamped inductive load circuit

根據圖2所示的IGBT等效模型，門極電流可根據公式（3）得出：

在第三階段t2-t2'時刻間，門極電流增大并導致IGBT集射極電壓迅速減小。由于此時CGC＞＞CGE，d VCE(t)/d t＞＞d VGE(t)/d t， 公 式(3)等號右側前兩項可近似忽略，則集射極電壓VCE(t)的變化率為：

在第三階段t2'-t3中，由于門極電流只給米勒電容充電且門極電壓維持在米勒平臺不變，則集射極電壓VCE(t)的變化率為：

其中米勒電容CGC(vce)可用在第三階段中的平均值CGC,AVE代替。則第三階段IGBT集射極電壓與時間的關系可以近似線性表示為：

2.2 IGBT門氧層老化對開通特性的影響

論文采用電壓下降時間tvf（IGBT集射極電壓從90%VDC下降到10%VDC，如圖3所示）表征IGBT的開通特性，即近似為t2'-t1。當t1＜t＜ t1，集電極電流由零近似線性增大到負載電流IL，且dIC/dt=(VDCVCE)/Ls。由此可得，tirise= t1'- t1=ILLS/（VDC-VCE），與IGBT的門極特性無關。當t1，＜t＜t2，此階段時間tREV取決于續流二極管的特性，與IGBT的門氧層老化故障無關。當t2＜t＜t2’，此階段時間和續流二極管的反向恢復與門氧化層老化情況均有關系，在二極管狀態不變的前提下，當門氧化層發生故障時，該時間會發生變化。在此階段，集射極電壓VCE從VCE’下降到VCE,ON，由公式（6）可得

綜上可得，tvf= tirise+trev+tgp。

如圖4所示，當IGBT門氧層發生老化時，氧化層內部形成導電通路，一部分電荷會經其由門極流向發射極，可以等效為在IGBT的門極與發射極間并聯一個電阻Rleak，流過的電流即為泄漏電流ileak。在第三階段時，真正流進IGBT門極的電流IGP從（VGE,ON-VGP）/RG減小到（VGE,ONVGP）/RG-VGP/ Rleak。由公式（7）可知，IGP的降低會增大時間tgp，從而增長電壓下降時間tvf，減慢IGBT開通速度從而改變IGBT開通特性。

圖4 IGBT門極老化等效電路Fig.4 Equivalent circuit of IGBT gate aging

3 IGBT門氧層老化模擬方法

Patil等[9]通過IGBT加速疲勞試驗發現門氧層老化會引起閥值電壓增加。文獻[10]指出，門氧層老化會在電介質中形成導電通路，從而引起IGBT泄漏電流的增加。因此設法增加IGBT的閾值電壓與泄漏電流均可模擬門極氧化層發生老化。但考慮到門氧層老化模擬的便捷性與有效性，采用在IGBT的門極與發射極間并聯電阻Rsim，人為產生由IGBT門氧層老化引起的泄漏電流，如圖5所示。Rsim電阻值越小，其模擬的門氧層老化情況則越嚴重。需要注意的是，在進行老化模擬實驗時需要根據器件參數設定Rsim的最小值，避免產生的泄漏電流過大導致正常的IGBT失去控制從而引發系統故障。

4 實驗研究

為了驗證論文理論分析的正確性，搭建了如圖6所示的感性負載H橋測試電路。被測IGBT模塊為英飛凌公司的FF50R12RT4(1200V/50A)，負載電感為8 mH，直流母線電壓600 V。采用雙脈沖實驗，控制被測IGBT開通電流為18 A，被測IGBT的門極與發射極間依次不并聯電阻、并聯180 Ω電阻和并聯112 Ω電阻模擬不同的門氧層老化程度，記錄被測IGBT開通的集射極電壓、集電極電流與門極電壓波形。其中，示波器型號為RIGOL-DS1104示波器，帶寬100 MHz、采樣率為250 MSa/s 。電流探頭為Cybertek CP8030B，帶寬50 MHz，精度2%。高壓差分電壓探頭為Cybertek DP6130A，帶寬100 MHz，精度為2%。實驗波形如圖7所示，實驗數據見表1。

圖6 實驗測試平臺Fig.6 Experiment test platform

在三組實驗結果中，當被測IGBT門極與發射極間無并聯電阻時，代表IGBT門氧層尚未發生老化，因此泄漏電流極小，電壓上升時間最短；當被測IGBT門極與發射極間并聯112 Ω電阻時，代表IGBT門氧層老化程度最嚴重，因此泄漏電流最大，同時電壓上升時間最長。這一實驗結果與前文的理論分析結果一致，驗證了當IGBT發生門氧層老化故障，其電壓上升時間會變長，開通速度減慢，開通特性發生變化。反之，在IGBT工況沒有發生變化的情況下，若檢測到IGBT電壓上升時間變長，則可說明IGBT門氧層發生老化。實驗結果可為IGBT門氧層老化故障的預診斷技術提供參考。

圖7 模擬不同門極老化條件下IGBT的開通特性的實驗波形Fig.7 Experimental waveforms of IGBT turn-on characteristic under different simulated gate oxide aging degrees

表1 模擬不同門極老化條件下測得的IGBT電壓上升時間Table 1 Measured IGBT voltage rising times under different simulated gate oxide aging degrees

5 結論

論文針對IGBT門氧層老化故障，在理解故障機理的基礎上，分析了在感性負載條件下，IGBT門氧層老化故障將減慢IGBT的開通速度，對IGBT的開通特性產生影響。根據氧化層老化會改變IGBT外部特性的特點，論文設計了一種IGBT門氧層老化故障的模擬方法。最終，通過實驗驗證了前文理論分析的正確性。論文工作可為進一步研發IGBT門氧層老化故障的預診斷技術提供參考。