功率半導(dǎo)體IGBT熱擊穿失效的可靠性研究

摘要：針對(duì)變頻空調(diào)使用緣柵雙極型晶體管（IGBT）擊穿短路故障進(jìn)行分析，確認(rèn)IGBT為過(guò)壓損壞失效?？照{(diào)供電電源出現(xiàn)大的波動(dòng)影響芯片供電電源質(zhì)量，電壓偏低導(dǎo)致IGBT開(kāi)通異常，不能及時(shí)欠壓保護(hù)，IGBT 長(zhǎng)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(shè)計(jì)，工作環(huán)境，模擬驗(yàn)證等方面分析研究，確認(rèn)IGBT擊穿短路失效原因，從設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)芯片；欠壓保護(hù)；熱擊穿；共地線；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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體 管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET）和雙極型晶體管（bipolar junction transistor， BJT）結(jié)構(gòu)的復(fù)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(qū)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(yīng)用。自 1986 年投入市場(chǎng)后，IGBT 迅速擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，成為中、大功率電力電子裝置的主導(dǎo)器件，不僅應(yīng)用于電力系統(tǒng)，而且也廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)、交通運(yùn)輸、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和新能源系統(tǒng)。PFC 升壓 v 電路中 IGBT 擊穿短路，導(dǎo)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(jī)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(cè)相同點(diǎn)均有 IGBT 短路失效，并伴隨電路其它器件保險(xiǎn)管、整流橋、IGBT、驅(qū)動(dòng)芯片、檢測(cè)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?nèi)失效，故障存在同一用戶維修多臺(tái)空調(diào)的情況。

2 IGBT失效機(jī)理以及驅(qū)動(dòng)芯片分析

通過(guò)分析得出，用戶電網(wǎng)存在其它的大型電壓設(shè)備電機(jī)，由于三相交流電機(jī)本體有氣隙磁場(chǎng)畸變、逆變控制過(guò)程中的死區(qū)時(shí)間等問(wèn)題，在三相交流電網(wǎng)及電機(jī)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(shè)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(dǎo)致電源一直處在波動(dòng)狀態(tài)，IGBT 由于電路驅(qū)動(dòng)芯片無(wú)欠壓保護(hù)一直工作在放大狀態(tài)導(dǎo)致失效。

2.1 器件單體分析

2.1.1 IGBT性能與X光測(cè)試

對(duì)失效器件進(jìn)行分析，主要失效器件為 IGBT，并導(dǎo)致其它功率器件整流橋、保險(xiǎn)管、電流檢測(cè)電阻失效。萬(wàn)用表測(cè)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(nèi)部過(guò)電損傷。

2.1.2 開(kāi)封分析

對(duì) IGBT 開(kāi)封確認(rèn)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(dǎo)致晶圓擊穿短路，器件本身未發(fā)現(xiàn)異常。

2.2 工作環(huán)境分析

通過(guò)對(duì)多個(gè)空調(diào)使用環(huán)境電源波形測(cè)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(wěn)定存在較大波動(dòng)。用戶均有使用大功率電機(jī)等設(shè)備，且空調(diào)與設(shè)備處于同一個(gè)電網(wǎng)中，均使用同一個(gè)變壓器，確認(rèn)空調(diào)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(duì)建材公司發(fā)現(xiàn)電源電壓均存在偏高的情況，見(jiàn)下圖 4 所示，最高可達(dá) 247 V 左右，電源監(jiān)測(cè)中偶發(fā)有尖峰毛刺，用戶電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備主要是運(yùn)送貨物的起重機(jī)，空調(diào)裝在辦公室。

2.2.2 電壓存在諧波

在對(duì)建筑類(lèi)公司測(cè)試發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)存在較高諧波的情況，見(jiàn)下圖 5 所示，空調(diào)主要安裝在員工宿舍使用。廠內(nèi)均有大功率電機(jī)設(shè)備，生產(chǎn)用電與生活用電為同一個(gè)電路，當(dāng)大型用電設(shè)備開(kāi)啟時(shí)，電源存在較大尖峰脈沖，峰值最高可達(dá) 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(nèi)存在多個(gè)諧波，單個(gè)諧波電壓最高 200 V，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng) 200 μs。

2.2.3 電壓存在跌落

用戶空調(diào)安裝在水泥攪拌站辦公室內(nèi)，使用示波器測(cè)試用戶電壓波動(dòng)不穩(wěn)定，見(jiàn)下圖 6 所示，在 257 V~202 V 之間一直跳變，同時(shí)出現(xiàn)電壓瞬間跌落的現(xiàn)象。

2.3 驅(qū)動(dòng)芯片分析

對(duì)失效數(shù)據(jù)分析，96% 以上失效 IGBT 電器盒均搭配使用的是 A 廠家驅(qū)動(dòng)芯片，分析得出 A 廠家驅(qū)動(dòng)芯片沒(méi)有欠壓鎖定功能。對(duì) A 廠家驅(qū)動(dòng)芯片和 B 廠家驅(qū)動(dòng)芯片單體動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)比測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn) A 廠家驅(qū)動(dòng)芯片輸入懸空狀態(tài)，輸出默認(rèn)為高電平輸出，A 廠家響 應(yīng)時(shí)間比 B 廠家慢，無(wú)欠壓保護(hù)功能。具體測(cè)試如下：測(cè)試條件：使用穩(wěn)壓源提供 15 V 電壓，信號(hào)發(fā)生器提供 3 V，10 kHz，50% 占空比信號(hào)。通道綠色為輸入信號(hào)，藍(lán)色為輸出信號(hào)。

2.3.1 A廠家驅(qū)動(dòng)芯片

①響應(yīng)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(cè)試，如下圖 8 所示，輸入電壓小于 1.8 V 出現(xiàn)無(wú)電壓輸出，電壓大于等于 1.8 V 可以恢復(fù)正常輸出。

③欠壓保護(hù)測(cè)試，如下圖 9 所示，將 15 V 電源電 壓從 15 V 慢慢調(diào)低至 2 V 后才出現(xiàn)無(wú)電壓輸出，電壓大于 2 V 后有電壓輸出，確認(rèn) A 廠家驅(qū)動(dòng)芯片無(wú)欠壓保護(hù)。

2.3.2 B廠家驅(qū)動(dòng)芯片

①響應(yīng)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(cè)試，見(jiàn)下圖 11 所示，輸入電壓 小于 2.1 V 出現(xiàn)無(wú)電壓輸出，電壓大于等于 2.1 V 可以恢復(fù)正常輸出。

③欠壓保護(hù)測(cè)試，見(jiàn)下圖 12 所示，將 15 V 電源電壓從 15 V 慢慢調(diào)低至 8.5 V 出現(xiàn)無(wú)輸出欠壓保護(hù)狀態(tài)，調(diào)高到 9.25 V 后恢復(fù)正常輸出。

3 電路設(shè)計(jì)核查與模擬驗(yàn)證

3.1 電路設(shè)計(jì)分析

強(qiáng)電 IGBT 負(fù)極與驅(qū)動(dòng)芯片負(fù)極走線共用一段走線，見(jiàn)下圖 13 所示，驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)這段走線才到高壓電解電容負(fù)極（終點(diǎn)零電位），屬于驅(qū)動(dòng)芯片負(fù)極走線的方案。此種走線方式容易使器件受開(kāi)關(guān)噪聲和共差模等因素干擾，當(dāng)外界電壓出現(xiàn)異常時(shí)，地線引入干擾較大，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)芯片無(wú)法控制IGBT，導(dǎo)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(xiàn) IGBT 擊穿短路問(wèn)題。

3.2 模擬驗(yàn)證

對(duì) IGBT 失效故障板進(jìn)行模擬驗(yàn)證，使用 A 廠家驅(qū)動(dòng)芯片采用共地線電電路設(shè)計(jì)的控制器在整機(jī)驗(yàn)證使用電源跌落沖擊電壓驗(yàn)證，見(jiàn)下圖 14 所示為輸出波形。經(jīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證 A 廠家驅(qū)動(dòng)方案共地線電路在電源不穩(wěn)定的環(huán)境下容易出現(xiàn) IGBT 擊穿短路。A 廠家的驅(qū)動(dòng)芯片缺少欠壓保護(hù)等功能，在外部電源異常時(shí)容易引起 IGBT 出現(xiàn)不飽和導(dǎo)通而失效。模擬驗(yàn)證失效主板可以復(fù)現(xiàn) IGBT 擊穿短路，將故障 A 廠家驅(qū)動(dòng)芯片與正常品對(duì)調(diào)后使用電源跌落沖擊電壓，故障跟隨驅(qū)動(dòng)芯片走，確認(rèn)微芯驅(qū)動(dòng)芯片也存在失效。

A 廠家芯片設(shè)計(jì)無(wú)欠壓保護(hù)，實(shí)際排查發(fā)現(xiàn)部分損傷樣品接線板處有電打火痕跡，對(duì)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 廠家方案可復(fù)現(xiàn)故障，使用 B 廠家方案不能復(fù)現(xiàn)故障，比較 2 個(gè)芯片發(fā)現(xiàn)失效的 A 廠家芯片無(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 廠家芯片方案的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(cè)試明確了該失效機(jī)理。

4 IGBT失效整改與驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)失效分析發(fā)現(xiàn) A 廠家驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)沒(méi)有欠壓保護(hù)功能，地線走線設(shè)計(jì)存在缺陷，強(qiáng)弱電地線沒(méi)有有效分開(kāi)導(dǎo)致在空調(diào)供電電源出現(xiàn)大的波動(dòng)影響芯片供電電源質(zhì)量，電壓偏低導(dǎo)致 IGBT 開(kāi)通異常，不能及時(shí)欠壓保護(hù)。在外部電源存在波動(dòng)時(shí)，15 V 驅(qū)動(dòng)信號(hào)變差， IGBT 器件存在不飽和導(dǎo)通，一直在米勒平臺(tái)的壓值附近振蕩，出現(xiàn)較長(zhǎng)的拖尾電流，IGBT 長(zhǎng)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)化地線走線方案，以及軟件控制策略優(yōu)化。高頻線路地線對(duì)高速開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)地線優(yōu)化至主電容接地點(diǎn)，將驅(qū)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(yàn)證使用不同廠家 IGBT 與不同廠家驅(qū)動(dòng)芯片搭配，見(jiàn)下圖 16 所示，使用拉弧測(cè)試和電壓跌落測(cè)試未出現(xiàn)器件損傷，整機(jī)運(yùn)行 PFC 正常開(kāi)啟，未出現(xiàn)保護(hù)現(xiàn)象，驗(yàn)證整改效果有效。

5 失效整改總結(jié)及意義

IGBT擊穿短路失效主要原因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)存在缺陷，物料選型無(wú)欠壓保護(hù)功能，當(dāng)外界電源出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)不能有效關(guān)斷導(dǎo)致失效。通過(guò)實(shí)際應(yīng)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(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，解決了器件在應(yīng)用環(huán)境中工作可靠性問(wèn)題，顯著提高實(shí)際應(yīng)運(yùn)中的可靠性。

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（注：本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）