空調IGBT器件電路應用可靠性研究

符 超 王志輝 劉 杰 鄧 夢 邵興杰

（空調設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室）

0 引言

在變頻空調產(chǎn)品控制器中，主動式PFC電路是大功率控制電路，它可以改善功率因數(shù)，提高電能利用率，同時為穩(wěn)定直流母線電壓發(fā)揮作用。在PFC電路中，IGBT屬于核心關鍵的開關器件，周邊的應用電路是否合理，決定了整個控制器的可靠性。

1 PFC電路分析

目前的變頻空調，因為其高能效要求，一般都用主動式PFC電路，其功率因數(shù)可以調整到98%以上。不同功率段的空調，使用的PFC拓撲不同，一般可以分為單路和多路交錯式PFC。單路PFC一般適合于4000W以下的功率段空調，多路交錯式PFC適合于4000W以上功率段空調，主要隨著功率越大，電流越大器件本體的發(fā)熱和電路EMI干擾越大，需要用交錯式分流，這樣單個器件發(fā)熱和EMI干擾都得到減小，提高電路的可靠性。針對IGBT的應用，不管是交錯式還是單路，其配套外圍電路接近［1］，本文以單路PFC電路為例，對IGBT應用電路進行分析。

圖1是變頻空調PFC電路示意圖，由整流濾波部分、PFC主電路部分、PFC電流檢測部分、IGBT驅動部分及EMI抑制電路部分組成，該電路的本質原理為BOOST結構的升壓型變換器。圍繞著IGBT可靠性應用電路中元器件的選型、可靠性等問題都需要規(guī)避解決。

圖1 變頻空調單路PFC電路示意圖

1.1 整流濾波電路可靠性

整流濾波部分由圖1中整流橋、電容C3、浪涌防護器件組成。

整流橋對交流市電進行整流，整流橋的選型一定要確保額定電壓、額定電流和工作結溫符合規(guī)格書要求［4］。整流橋工作結溫和溫升是最核心需要實驗驗證的，一般產(chǎn)品最大功率狀態(tài)、浪涌或諧波條件、產(chǎn)品最高使用環(huán)境溫度是整流橋溫升測試條件，應用時需要在這個實驗條件下，滿足溫升要求［5］。

整流后會有很多高頻干擾信號，包括電網(wǎng)傳導過來及整流切換過程中生成的，這時建議加上C2聚酯電容濾波對高頻電流旁路，起抑制電磁干擾的作用。另外整流橋本身是四個二極管組成，其損耗包括通態(tài)損耗、截止損耗和開關損耗，其中對市電50Hz的整流通態(tài)損耗占比最大，它的值是工作時加載在二極管上電壓和電流的積分數(shù)，當高頻電流旁路后，可降低整流橋通態(tài)損耗，從而降低溫升，提高可靠性。

浪涌防護器件一般使用壓敏電阻起浪涌抑制作用，防止電路中器件受浪涌擊穿損壞，選型重點關注壓敏電壓，建議是交流峰值電壓的1.5倍，或者交流電壓有效值的2.2倍。壓敏電阻最大鉗位電壓選型，數(shù)值要小于后端保護電路或器件的耐壓水平，確保可靠保護。

1.2 PFC主電路可靠性

PFC主電路部分由電感L1、IGBT Q1及二極管D1組成。

L1是根據(jù)產(chǎn)品最大功率及PFC工作頻率決定的（或者滿載時最小開關頻率）代入到感量公式即可獲得。IGBT器件Q1及二極管D1的選型，重點關注最大工作電流、器件的開關速度是否滿足開關頻率的需要匹配，一般開關頻率在20～70kHz左右，主要制約開關頻率的原因是各器件的溫升及EMI問題的解決。制約溫升最關鍵的器件是后端整流二極管，Si基二極管是有較大的反向恢復電流，使整個電路的損耗大，溫升高。可以應用第三代半導體SiC二極管解決此問題，SiC二極管可以提供更高的開關速度和極小的反向恢復時間與極少的反向恢復電流，大大降低了IGBT和二極管開關過程中產(chǎn)生的損耗，從而降低系統(tǒng)溫升。IGBT選型除了開關頻率要匹配好以外，耐壓要留好余量，一般母線電壓380V左右，IGBT選型650V耐壓值合適［6］。

圖1中并聯(lián)在IGBT的C-E端由R1電阻和C1電容組成的RC電路用來降低IGBT的關斷噪聲。電容的選擇需要確保吸收毛刺時電容上加載的緩沖電壓控制在IGBT的C-E間的耐壓值以下，同時確保選擇高頻特性良好的緩沖電容器。緩沖電阻R1的目的是在IGBT下一次關斷動作進行前將存儲在緩沖電容器中的電荷進行放電，緩沖電阻值如果設定過低，由于緩沖電路的電流振蕩，IGBT開通時的集電極電流峰值也會增加，這個在驗證時需要避免。

1.3 電流檢測電路可靠性

PFC電流檢測電路一般用電阻分壓，圖1中分壓電阻Rs1為高精度的水泥電阻，精度要求±1%。應用中要注意電阻功耗是否滿足降額0.6的使用要求，確保電阻不會過熱出現(xiàn)可靠性問題。電阻的阻值需要根據(jù)檢測電流范圍、內部的比較放大電路的比值以及主控電流檢測引腳口A／D口的檢測電壓范圍進行確定。電阻值要確保檢測最小電流和最大電流值通過水泥電阻分壓后放大，其檢測值落在主控A／D口最大電壓值的1／3～1之間，確保可靠檢測。

1.4 IGBT驅動電路可靠性

IGBT驅動是使用針對性的驅動芯片進行驅動，驅動電路內部有接在IGBT的門極上的驅動電阻，用于限制驅動芯片向柵極的驅動電流，改變它可以控制IGBT的開通速度，在最大負載情況下，PFC電路中IGBT開通瞬間C-E間的dV／dt應小于5V／ns或者更高，這需要針對性驗證EMI情況。驅動電路中IGBT的關斷需要及時，這個需要加一個二極管對IGBT的柵極電荷提供一條快速泄放回路，加速IGBT關斷，讓IGBT關斷損耗減小。驅動電路中在IGBT門極可增加穩(wěn)壓二極管D2來保護IGBT。

2 IGBT器件異常形貌分析

在器件研發(fā)、生產(chǎn)、售后等過程中會存在很多IGBT器件異常問題需要分析，去修正完善應用設計，總結了幾類在失效分析過程中的形貌與應用異常原因的對應關系。

2.1 電流與溫度問題

IGBT的電流越大溫度越高，如果是大電流導致的IGBT異常，它們的失效形貌一般是芯片元胞區(qū)非終端結構區(qū)，出現(xiàn)明顯的熔融形貌。當然不同電流，其熔融形貌稍微有區(qū)別。如果是持續(xù)平均電流過高，會出現(xiàn)較大毫米級別的熔融區(qū)域。如果是短時大電流如浪涌過電流，會形成一個相對較小的熔融區(qū)域毫米或毫米級別以下的區(qū)域［2］。如果過流是因為短路造成的，器件輕則發(fā)射區(qū)大面積燒毀，重則整體炸開。后續(xù)如果出現(xiàn)對應形貌，建議先分析應用中過流情況是如何產(chǎn)生，進一步鎖定應用中的失效原因。圖2為IGBT過流形貌示意圖。

圖2 IGBT過流異常形貌示意圖

2.2 耐壓問題

IGBT芯片的結構分為終端區(qū)和元胞區(qū)，其中耐壓、漏電等與可靠性相關性較大的參數(shù)主要受終端結構影響，如果在進行IGBT異常形貌分析時發(fā)現(xiàn)其終端結構出現(xiàn)異常損壞，可以判定為是過壓導致。當然如果超過柵極和發(fā)射級的擊穿電壓，其失效形貌不一定在終端結構區(qū)，會在芯片發(fā)射級區(qū)域存在熔融點形貌。后續(xù)如果出現(xiàn)對應形貌，建議先分析應用中過壓情況是如何產(chǎn)生，進一步鎖定應用中的失效原因［5］。圖3為IGBT過壓形貌示意圖。

圖3 IGBT過壓異常形貌示意圖

2.3 超SOA安全工作區(qū)問題

常見的IGBT安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)、反向偏置安全工作區(qū)、短路安全工作區(qū)。正向偏置中不同階段，最大工作電流、最大可重復電流、最大可承受耗散功率、CE的擊穿電壓需要設計確認。反向偏置即關斷過程CE需要承受的反向偏置電壓，過程需要關注的參數(shù)：最大集電極電流、最大集設極電流、最大允許電壓上升速率dV／dt。短路安全工作區(qū)，需要看可承受的最大短時電流及持續(xù)時間。以上參數(shù)需確認是否都在設計選型安全工作區(qū)。超出安全工作區(qū)的異常失效形貌一般在芯片表面形成溶洞貫穿集電極和發(fā)射級，并且形貌面積較小，一般不在鍵合點處，后續(xù)如果出現(xiàn)對應形貌，建議先分析應用中SOA參數(shù)超出安全工作區(qū)情況是如何產(chǎn)生，進一步鎖定應用中的失效原因。圖4為IGBT超SOA形貌示意圖。

圖4 IGBT超SOA異常形貌示意圖

2.4 機械應力問題

IGBT受機械應力的環(huán)節(jié)很多，如打螺釘緊固力和緊固順序異常、搬運過程中跌落、震動等強大外力的沖擊，IGBT內部位于塑封料、引線框架和內部引線會存在有裂紋、形變、引線斷開等形貌，可以通過超聲掃描、XRAY無損分析和MA觀測進行確認，后續(xù)如果出現(xiàn)對應形貌，建議先分析應用中機械應力異常是如何產(chǎn)生，進一步鎖定應用生產(chǎn)中的失效原因。圖5為IGBT機械應力異常形貌示意圖。

圖5 IGBT機械應力異常形貌示意圖

3 結束語

本文第一部分，對空調單路PFC電路進行了可靠性設計分析。PFC電路分為整流濾波電路、PFC主電路、電流檢測電路、IGBT驅動電路四部分，對各電路的器件選型和可靠性難點提供對應解決方案和驗證思路。

本文第二部分，重點對IGBT在各環(huán)節(jié)失效后的分析，從失效形貌去對應尋找引起的特征應力，從電流與溫度問題、耐壓問題、超SOA安全工作區(qū)問題、機械應力問題導致的失效形貌進行闡述，把每個失效形貌的特征進行經(jīng)驗總結，提高后期IGBT應用失效分析的效率，同時加快IGBT產(chǎn)品迭代的效率，提高IGBT應用的可靠性。