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(tài)，本文提出提取失效特征參數(shù)集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE-sat，來預(yù)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(tài)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(cè)，使電能在逆變器和模擬電機間不斷循環(huán)，直流側(cè)僅需提供電力電子器件熱損耗相當(dāng)?shù)哪芰?，具有顯著的節(jié)能環(huán)保特性，同時降低了對陪試設(shè)備的要求。利用IGBT加速老化實驗平臺，在不同環(huán)境溫度下對4種不同型號的IGBT模塊進行試驗，試驗結(jié)果表明，當(dāng)IGBT模塊器件失效時，VCE-sat增量＞16%。

關(guān)鍵詞：IGBT；失效機理；特征參數(shù)提取

中圖分類號：TN 32 " " " 文獻標(biāo)志碼：A

絕緣柵雙極型晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)由金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET和雙極性結(jié)型晶體管BJT組成，屬于全控型電力電子器件，并由電壓驅(qū)動。IGBT開關(guān)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(jù)YANG S等[1]的統(tǒng)計，38%的變流器系統(tǒng)故障原因是IGBT失效。

1 IGBT的工作原理

IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。IGBT有集電極、柵極和發(fā)射極3個端子。IGBT在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上等同于一個4層半導(dǎo)體器件，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，由注入?yún)^(qū)向緩沖區(qū)發(fā)射少數(shù)載流子，調(diào)制漂移區(qū)電導(dǎo)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(fā)生，受外部因素影響較大，屬隨機事件，例如驅(qū)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(yīng)力和熱應(yīng)力的循環(huán)沖擊，多種應(yīng)力疊加并施加在IGBT上，從而導(dǎo)致器件失效。

根據(jù)失效的誘發(fā)因素，可以將IGBT的失效類型分為突發(fā)性強應(yīng)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(yīng)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(yīng)力疲勞、線間電磁力，失效機理為材料熱膨脹系數(shù)差異、鍵合點應(yīng)變以及線間電磁力導(dǎo)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(yīng)力疲勞，其失效機理為材料熱膨脹系數(shù)差異、結(jié)合面產(chǎn)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(dǎo)致IGBT燒毀。

2.2 芯片級失效

芯片級失效可以分為電氣過應(yīng)力、靜電荷放電、輻射損傷和過熱應(yīng)力。電氣過應(yīng)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(tài)擎住效應(yīng)，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(yīng)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(yīng)力失效原因為電流過大、大電流產(chǎn)生強烈的熱效應(yīng)，其失效機理為電流脈沖失效、安全工作區(qū)超限和靜態(tài)擎住效應(yīng)，失效的影響是升溫、熱損傷，最終導(dǎo)致IGBT模塊燒毀。

2.3 IGBT失效的特征參數(shù)

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(jù)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(fā)故障和老化故障。

突發(fā)故障發(fā)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(tǒng)帶來災(zāi)難性后果。老化故障過程緩慢且不易察覺，老化故障發(fā)生后不會對系統(tǒng)造成太大影響，在工業(yè)應(yīng)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(tài)，并對IGBT壽命進行預(yù)測。

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

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

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

IGBT的電氣參數(shù)VGE和VGE可以作為其健康狀態(tài)的有效評估標(biāo)準(zhǔn)，VGE和VGE這2組數(shù)據(jù)均與結(jié)溫Tj的變化緊密相關(guān)，而且VGE和VGE參數(shù)方便測量，在實際應(yīng)用中的可行性較高、操作簡單且成本低。相關(guān)研究表明，VGE和VGE在全生命周期失效瞬間均會出現(xiàn)電壓跳躍，該跳躍電壓在短時間內(nèi)迅速上升、又降低。一般認(rèn)為該現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是IGBT的各組件內(nèi)部分布雜散電感，在IGBT關(guān)斷的瞬間，集電極IC電流迅速降為零，反并聯(lián)二極管逆向恢復(fù)并產(chǎn)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(shù)，本文將集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE-sat的變化趨勢作為IGBT健康狀態(tài)評估的參數(shù)。

3 IGBT失效特征參數(shù)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(yīng)的加速老化試驗標(biāo)準(zhǔn)和老化試驗方法。溫度是導(dǎo)致IGBT失效的最重要因素。傳統(tǒng)IGBT測試普遍采用臺架試驗，成本高、耗時長、結(jié)溫監(jiān)測不靈活且能耗高。由于在實際工程應(yīng)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(shù)據(jù)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(fā)展亟需開發(fā)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(shù)風(fēng)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(chǔ)進行了大量試驗驗證工作。

本文設(shè)計了IGBT加速老化仿真實驗平臺，目的是為研究預(yù)測IGBT剩余使用壽命提供必要的數(shù)據(jù)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(huán)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(guān)電氣參數(shù)，建立IGBT加速老化數(shù)據(jù)庫，為提取IGBT失效特征參數(shù)提供數(shù)據(jù)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(cè)配備大功率負(fù)載電機和機械負(fù)載，同時在直流輸入側(cè)配備1臺大功率直流電源，因此能耗較高。為簡化對陪試設(shè)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(tài)下工作的三相橋來模擬電機，省去了負(fù)載電機和機械負(fù)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(cè)，使電能在逆變器和模擬電機間不斷循環(huán)，因此直流電源端僅需提供電力電子器件損耗相當(dāng)?shù)哪芰浚梢怨?jié)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(qū)動的可靠性，該平臺將光纖作為驅(qū)動信號，同時使用FLUKE TiX880紅外熱成像儀實時監(jiān)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(guān)頻率、調(diào)制算法、相電流、環(huán)境溫度和冷卻條件等因素對芯片結(jié)溫的影響規(guī)律。為了提取IGBT失效特征參數(shù)，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(jiān)測溫度非常便捷，在試驗中采用使結(jié)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(diào)制實現(xiàn)功率循環(huán)，其周期由正弦電流的最大值和電流持續(xù)時間決定。試驗主電路由6個IGBT模塊和模擬電機負(fù)載組成，使負(fù)載嚴(yán)格對稱，以保證每條并聯(lián)支路上流過的電流相等。在1個周期內(nèi)，當(dāng)IGBT導(dǎo)通后，芯片溫度Tj開始上升，當(dāng)Tj升至試驗設(shè)定值Tjmax時，IGBT被關(guān)斷并開始散熱，散熱期間停止數(shù)據(jù)監(jiān)測；當(dāng)Tj降至Tjmin時，IGBT導(dǎo)通后重新加熱，并繼續(xù)監(jiān)測收集數(shù)據(jù)，即采用升溫、散熱并使Tj維持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)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(shù)據(jù)。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(xù)過流高溫狀態(tài)。在設(shè)備開通和關(guān)斷時刻，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2640A記錄柵極電壓、集電極電壓、集電極電流、發(fā)射極電壓、發(fā)射極電流、封裝溫度和采集時間等數(shù)據(jù)。以IGBT是否出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)為標(biāo)志，出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)即認(rèn)定為器件失效。

3.3 IGBT加速老化試驗結(jié)果

在試驗期間實時收集關(guān)鍵電氣參數(shù)，直到器件失效。加速老化試驗結(jié)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(huán)境試驗箱中進行試驗。為了使試驗結(jié)果更全面，需要改變IGBT模塊（T1～T6）的型號，相關(guān)試驗結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果見表4。

表1～表3試驗結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)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(dāng)環(huán)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(jié)果表明，當(dāng)環(huán)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(dāng)環(huán)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(shù)提取

表1～表4為試驗過程中采集電路收集的數(shù)據(jù)，由于各IGBT管存在個體差異，因此6個IGBT的參數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)。試驗結(jié)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(dāng)結(jié)溫Tj較大時，對應(yīng)的IGBT循環(huán)周期變短，壽命也變短。原因是溫度越高，芯片所受熱應(yīng)力越強，導(dǎo)致鋁線鍵合線發(fā)生脫落、焊料層開裂現(xiàn)象發(fā)生概率增加，并且隨著功率循環(huán)周期增加，VCE-sat也逐漸升至臨界值。試驗期間實時收集關(guān)鍵電氣參數(shù)，直到器件失效。

分析試驗結(jié)果可知，當(dāng)6組IGBT失效時，VCE-sat值比初始值增加了約16%。由于器件參數(shù)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(nèi)。

表1～表4的試驗結(jié)果表明，當(dāng)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(jié)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(fā)現(xiàn)，芯片級失效通常以熱損壞為主。加速老化試驗表明，當(dāng)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(yán)喜林，等.壓接式IGBT健康管理方法綜述[J].電源學(xué)報，2024（3）：199-210.

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