IGBT失效機理探討及失效特征參數提取

摘 要：本文探討了IGBT的失效機理，對其失效類型進行了歸納和理論分析。為了評估IGBT健康狀態，本文提出提取失效特征參數集電極-發射極飽和壓降VCE-sat，來預測IGBT模塊的剩余壽命的方法。為了驗證該方法，搭建IGBT加速老化實驗平臺。該平臺利用一個在整流狀態下工作的三相橋來模擬電機，逆變器輸出的交流電利用模擬電機整流成直流電并返回直流側，使電能在逆變器和模擬電機間不斷循環，直流側僅需提供電力電子器件熱損耗相當的能量，具有顯著的節能環保特性，同時降低了對陪試設備的要求。利用IGBT加速老化實驗平臺，在不同環境溫度下對4種不同型號的IGBT模塊進行試驗，試驗結果表明，當IGBT模塊器件失效時，VCE-sat增量＞16%。

關鍵詞：IGBT；失效機理；特征參數提取

中圖分類號：TN 32 " " " 文獻標志碼：A

絕緣柵雙極型晶體管IGBT的結構由金屬-氧化物半導體場效應晶體管MOSFET和雙極性結型晶體管BJT組成，屬于全控型電力電子器件，并由電壓驅動。IGBT開關頻率高、控制功耗低、輸入阻抗高、飽和壓降低且能通過大電流，是電力變換的核心器件。IGBT在工作過程中會承受較大的功率波動和運行工況變化引起的疲勞損傷。根據YANG S等[1]的統計，38%的變流器系統故障原因是IGBT失效。

1 IGBT的工作原理

IGBT內部結構示意圖如圖1所示。IGBT有集電極、柵極和發射極3個端子。IGBT在內部結構上等同于一個4層半導體器件，當IGBT導通時，由注入區向緩沖區發射少數載流子，調制漂移區電導率，使IGBT具有高電壓、大電流承載能力。

2 IGBT失效機理分析

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，在出廠時可以通過檢測篩選試驗檢出。中期失效為偶然發生，受外部因素影響較大，屬隨機事件，例如驅動電路故障、短路、過流、過壓和過溫等。晚期失效原因是IGBT模塊在工作過程中承受電應力和熱應力的循環沖擊，多種應力疊加并施加在IGBT上，從而導致器件失效。

根據失效的誘發因素，可以將IGBT的失效類型分為突發性強應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失效和芯片級失效。

2.1 封裝級失效

封裝級失效可以分為鍵合線脫落和焊料層老化，對應的位置分別為鍵合線和焊料層[2]。

鍵合線脫落的封裝級失效失效原因為應力疲勞、線間電磁力，失效機理為材料熱膨脹系數差異、鍵合點應變以及線間電磁力導致鍵合線脫落，失效的影響是鍵合線脫落。

焊料層老化的封裝級失效失效原因為應力疲勞，其失效機理為材料熱膨脹系數差異、結合面產生裂紋，失效的影響是焊料層老化、熱阻增大和散熱受阻，最終導致IGBT燒毀。

2.2 芯片級失效

芯片級失效可以分為電氣過應力、靜電荷放電、輻射損傷和過熱應力。電氣過應力失效原因為過電壓，其失效機理為柵極氧化層被擊穿和動態擎住效應，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為靜電荷放電，其失效機理為人體放電、集電極柵極放電和鄰近強帶電體柵極感應放電，失效的影響是局部柵極氧化層擊穿和熱損傷。輻射損傷的失效機理為高能粒子碰撞，失效的影響是升溫、熱損傷。過熱應力失效原因為電流過大、大電流產生強烈的熱效應，其失效機理為電流脈沖失效、安全工作區超限和靜態擎住效應，失效的影響是升溫、熱損傷，最終導致IGBT模塊燒毀。

2.3 IGBT失效的特征參數

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

突發故障發生后，如果不能及時處置，并采取有效措施，那么會給整個系統帶來災難性后果。老化故障過程緩慢且不易察覺，老化故障發生后不會對系統造成太大影響，在工業應用中，此類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，并對IGBT壽命進行預測。

IGBT失效的特征參數可以分為2類，即基于電流參數和基于電壓參數。對于基于電流參數的失效特征參數，可以采用數字信號處理方法提取老化故障特征參數。對方便提取電壓參數的電力電子變流裝置來說，將電壓參數作為故障特征參數，可以更精確地判斷IGBT的狀態，在工業應用中更普遍。

IGBT失效通常表現在電氣特征參數的變化上，該變化一般是由結溫過高引起的[3]。電氣特征參數主要包括集電極-發射極關斷尖峰電壓VCE-p、柵極-發射極關斷尖峰電壓VGE-np、集電極-發射極飽和壓降VCE-sat、內部結溫（Tj）以及模塊熱阻（Rth）。一般使用這些電氣特征參數評估IGBT的健康狀態，并預測剩余使用壽命。

由于測量內部結溫Tj需要打開IGBT模塊外殼，操作不當可能會對模塊的封裝造成不可逆損壞，因此在實際應用中的可行性不高。

IGBT的電氣參數VGE和VGE可以作為其健康狀態的有效評估標準，VGE和VGE這2組數據均與結溫Tj的變化緊密相關，而且VGE和VGE參數方便測量，在實際應用中的可行性較高、操作簡單且成本低。相關研究表明，VGE和VGE在全生命周期失效瞬間均會出現電壓跳躍，該跳躍電壓在短時間內迅速上升、又降低。一般認為該現象的產生原因是IGBT的各組件內部分布雜散電感，在IGBT關斷的瞬間，集電極IC電流迅速降為零，反并聯二極管逆向恢復并產生較大電壓，疊加作用于直流母線，進而形成電壓尖峰。

為提取IGBT失效的特征參數，本文將集電極-發射極飽和壓降VCE-sat的變化趨勢作為IGBT健康狀態評估的參數。

3 IGBT失效特征參數提取

3.1 IGBT加速老化試驗方法

IGBT電力電子變流裝置的全周期壽命驗證，到目前為止，無對應的加速老化試驗標準和老化試驗方法。溫度是導致IGBT失效的最重要因素。傳統IGBT測試普遍采用臺架試驗，成本高、耗時長、結溫監測不靈活且能耗高。由于在實際工程應用中IGBT模塊的老化過程較緩慢、壽命周期較長，因此其老化數據收集難度較大，需要耗費大量的人力、物力和時間。IGBT電力電子變流裝置的快速發展亟需開發IGBT加速老化實驗平臺。為降低IGBT加速老化試驗的時間成本、資金成本，并有效降低技術風險，本文提出一種基于模擬加載的逆變器試驗方法，搭建了實驗平臺，并以該平臺為基礎進行了大量試驗驗證工作。

本文設計了IGBT加速老化仿真實驗平臺，目的是為研究預測IGBT剩余使用壽命提供必要的數據支持。本文搭建的IGBT加速老化仿真實驗平臺采用直流功率循環的方法模擬并加速IGBT的老化過程，并在其老化過程中實時收集相關電氣參數，建立IGBT加速老化數據庫，為提取IGBT失效特征參數提供數據支持。加速老化實驗平臺的電路如圖2所示。

試驗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進行試驗，那么必須在交流輸出側配備大功率負載電機和機械負載，同時在直流輸入側配備1臺大功率直流電源，因此能耗較高。為簡化對陪試設備的要求，本文采用圖2所示的加速老化試驗電路。該電路利用一個在整流狀態下工作的三相橋來模擬電機，省去了負載電機和機械負載，同時逆變器輸出的交流電由模擬電機整流成直流電并返回直流側，使電能在逆變器和模擬電機間不斷循環，因此直流電源端僅需提供電力電子器件損耗相當的能量，可以節約大量能源。

基于圖2所示試驗方案，搭建模擬加載實驗平臺。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）。試驗開始時采用功率模塊FF600R12ME4進行直流、交流變換。為減少電磁干擾，并提高IGBT驅動的可靠性，該平臺將光纖作為驅動信號，同時使用FLUKE TiX880紅外熱成像儀實時監測溫度，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，并研究開關頻率、調制算法、相電流、環境溫度和冷卻條件等因素對芯片結溫的影響規律。為了提取IGBT失效特征參數，本文采用試驗的方法進行驗證。

3.2 IGBT加速老化試驗控制策略

IGBT加速老化試驗選用6個編號為T1～T6的IGBT，由于使用FLUKE TiX880紅外熱成像儀實時監測溫度非常便捷，在試驗中采用使結溫變化ΔTj為固定值的加速老化策略。利用周期性的PWM脈沖寬度調制實現功率循環，其周期由正弦電流的最大值和電流持續時間決定。試驗主電路由6個IGBT模塊和模擬電機負載組成，使負載嚴格對稱，以保證每條并聯支路上流過的電流相等。在1個周期內，當IGBT導通后，芯片溫度Tj開始上升，當Tj升至試驗設定值Tjmax時，IGBT被關斷并開始散熱，散熱期間停止數據監測；當Tj降至Tjmin時，IGBT導通后重新加熱，并繼續監測收集數據，即采用升溫、散熱并使Tj維持在設定溫度范圍內的方法加速IGBT老化過程。

試驗選用對柵極（G極）施加周期性方波電壓信號的加速老化策略來獲取IGBT加速老化過程中的電氣參量數據。對G極施加頻率為1 kHz、占空比為50%的方波電壓信號，使器件處于持續過流高溫狀態。在設備開通和關斷時刻，利用數據采集系統2640A記錄柵極電壓、集電極電壓、集電極電流、發射極電壓、發射極電流、封裝溫度和采集時間等數據。以IGBT是否出現閂鎖效應為標志，出現閂鎖效應即認定為器件失效。

3.3 IGBT加速老化試驗結果

在試驗期間實時收集關鍵電氣參數，直到器件失效。加速老化試驗結果見表1。

為保證試驗時溫度的一致性，將加速老化試驗電路放入大功率環境試驗箱中進行試驗。為了使試驗結果更全面，需要改變IGBT模塊（T1～T6）的型號，相關試驗結果見表2～表4。

如果IGBT模塊（T1～T6）選用450 A模塊FF450R12ME4，那么加速老化試驗結果見表2。

如果IGBT模塊（T1～T6）選用300 A的模塊FF300R12ME4，那么加速老化試驗結果見表3。

如果IGBT模塊（T1～T6）選用225 A的模塊FF225R12ME4P，那么加速老化試驗結果見表4。

表1～表3試驗結果表明，當環境試驗箱溫度為10 ℃時，VCE-sat初始值在1.75 V附近，并最終在2.03 V附近失效；當環境試驗箱溫度為40 ℃時，VCE-sat初始值在2.00 V附近，并最終在2.32 V附近失效。

表4試驗結果表明，當環境試驗箱溫度為10 ℃時，VCE-sat初始值在1.85 V附近，并最終在2.15 V附近失效；當環境試驗箱溫度為40 ℃時，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失效特征參數提取

表1～表4為試驗過程中采集電路收集的數據，由于各IGBT管存在個體差異，因此6個IGBT的參數并不完全一致，但是整體趨勢相似，均為隨著器件老化，VCE-sat數值逐漸上升。為驗證IGBT的失效閾值，試驗收集了4種IGBT模塊8組數據。試驗結果表明，在芯片溫度波動范圍較大的情況下，其老化周期相對較短，老化速度相對較快；當結溫Tj較大時，對應的IGBT循環周期變短，壽命也變短。原因是溫度越高，芯片所受熱應力越強，導致鋁線鍵合線發生脫落、焊料層開裂現象發生概率增加，并且隨著功率循環周期增加，VCE-sat也逐漸升至臨界值。試驗期間實時收集關鍵電氣參數，直到器件失效。

分析試驗結果可知，當6組IGBT失效時，VCE-sat值比初始值增加了約16%。由于器件參數存在個體差異和試驗誤差，因此6組IGBT采集的初始電壓和失效時電壓存在偏差，但是器件失效時的VCE-sat增量均保持在16%～20%的失效閾值范圍內。

表1～表4的試驗結果表明，當IGBT模塊器件失效時，VCE-sat增量為16%以上，可以將16%作為IGBT的VCE-sat失效閾值。

4 結語

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

參考文獻

[1]YANG S，BRYANT A，MAWBY P，et al.An industry based survey of reliability in power electronic converters[J].IEEE Transactions

on industry applications，2011，47（3）：1441.

[2]肖凱，王振，嚴喜林，等.壓接式IGBT健康管理方法綜述[J].電源學報，2024（3）：199-210.

[3]尹麗晶.IGBT熱可靠性分析簡述[J].電子質量，2020（8）：27-30.