IGBT失效詳解
失效模式
根據(jù)失效的部位不同，可將IGBT失效分為芯片失效和封裝失效兩類。引發(fā)IGBT芯片失效的原因有很多，如電源或負(fù)載波動(dòng)、驅(qū)動(dòng)或控制電路故障、散熱裝置故障、線路短路等，但最終的失效都可歸結(jié)為電擊穿和熱擊穿兩種，其中電擊穿失效的本質(zhì)也是溫度過(guò)高的熱擊穿失效。
目前對(duì)IGBT芯片失效的研究主要集中在對(duì)引起失效的各種外部因素，如過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)溫等進(jìn)行分析上，而對(duì)失效的內(nèi)部機(jī)理及過(guò)程仍缺乏深入的研究。
（1）過(guò)壓失效
母線電壓、變壓器反射電壓以及漏極尖峰電壓等疊加，當(dāng)漏源極承受最大單次脈沖能量超過(guò)其單脈沖雪崩能量 EAS 或多次脈沖能量超過(guò)其重復(fù)雪崩能量 EAR 時(shí)發(fā)生漏源雪蹦；
或者柵極產(chǎn)生尖峰電壓，柵極是模塊最薄弱的地方，在任何條件下，其接入的電壓必須在小于柵極電壓 VGS，否則引起擊穿，導(dǎo)致 IGBT 失效 。整車上會(huì)觸發(fā)電機(jī)控制器電壓故障，嚴(yán)重者會(huì)反沖擊電池包，引起電池管理系統(tǒng)報(bào)故障。
（2）過(guò)流失效
異常大的電流和電壓同時(shí)疊加，造成瞬態(tài)發(fā)熱，導(dǎo)致 IGBT 失效。漏源標(biāo)稱電流如果偏小，在設(shè)計(jì)降額不充裕的系統(tǒng)中可能會(huì)引起電流擊穿的風(fēng)險(xiǎn)；
如果漏源最大脈沖電流 IDM、最大連續(xù)續(xù)流電流 IS、最大脈沖續(xù)流電流 ISM 偏小，系統(tǒng)發(fā)生過(guò)流或過(guò)載情況，同樣會(huì)發(fā)生電流擊穿風(fēng)險(xiǎn) 。整車上可能會(huì)觸發(fā)電機(jī)控制器報(bào)電流故障，嚴(yán)重者會(huì)引起電池包內(nèi)部熔斷器熔斷或繼電器粘連。
（3）過(guò)溫失效
三相橋臂門極開(kāi)關(guān)瞬態(tài)開(kāi)通不一致，極限情況下引起單管承受所有相電流；或者M(jìn)OS 管內(nèi)阻及功率回路抗擾差異，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)不均流；以及晶元與 leadframe、leadframe與 PCB 銅箔之間存在空洞，局部溫升高，引起 IGBT 模塊溫度過(guò)高，發(fā)生過(guò)溫失效。
發(fā)生過(guò)溫失效的直接原因是溫升超過(guò)結(jié)溫 TSTG 及貯存溫度 TJ，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)把模塊的結(jié)到封裝的熱阻 Rthjc、封裝到散熱片的熱阻 Rthcs以及結(jié)到空氣的熱阻 Rthja 設(shè)計(jì)越小，系統(tǒng)散熱越快；
或者導(dǎo)通電阻 RDS（ON）值越小，工作時(shí)損耗越小，溫升越慢，發(fā)生過(guò)溫失效的幾率就會(huì)越小。整車上可能會(huì)觸發(fā)電機(jī)控制器過(guò)溫保護(hù)，嚴(yán)重者會(huì)引起溫度傳感器燒毀。
1.熱失效
IGBT熱失效的原因有多種，比如散熱裝置不良、電流過(guò)大、浪涌電流沖擊、短路電流沖擊等，各種原因造成的IGBT熱失效機(jī)理和失效模式并不相同。
浪涌電流沖擊和短路電流沖擊是由于電流沖擊產(chǎn)生的熱量使芯片發(fā)生瞬時(shí)熱過(guò)載，局部結(jié)溫快速上升并達(dá)到絲化溫度Tf而發(fā)生失效，通常由一個(gè)或若干個(gè)沖擊周期內(nèi)功耗引起的結(jié)溫升與絲化溫度的關(guān)系決定；
散熱不良和電流過(guò)大是由于產(chǎn)生的熱量不能被完全散發(fā)出去而在內(nèi)部形成熱量累積使芯片溫度持續(xù)上升，最終也是局部到達(dá)絲化溫度Tf時(shí)發(fā)生失效，通常由連續(xù)周期內(nèi)產(chǎn)生的功耗與耗散的功耗決定。
本文以散熱不良和電流過(guò)大的熱失效作為分析對(duì)象，從熱平衡角度得到IGBT極限功耗以及熱失效機(jī)理。
單個(gè)IGBT芯片是由數(shù)以千計(jì)的元胞并聯(lián)而成的，這些元胞具有共同的P+發(fā)射區(qū)和N-基區(qū)，但各自的柵極與P+集電區(qū)均相互獨(dú)立。
圖1中點(diǎn)劃線框內(nèi)為穿通（PT）或場(chǎng)終止（FS）平面柵型IGBT的一個(gè)元胞結(jié)構(gòu)，非穿通（NPT）型IGBT去掉了圖中的N+緩沖層或場(chǎng)終止層，溝槽柵型將IGBT柵極垂直向下延伸到N-基區(qū)。
由IGBT工作機(jī)理可知，其開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通過(guò)程是通過(guò)載流子在基區(qū)不斷的運(yùn)動(dòng)與復(fù)合形成的電子、空穴電流，產(chǎn)生的熱量主要在J2結(jié)的N-外延層，即IGBT的有源基區(qū)。
在實(shí)際的反向PN結(jié)曲線中，由于空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流和表面漏電流的影響，反向電流會(huì)隨著反向電壓的增大而略有增大，表現(xiàn)出不飽和特性，且反向電流會(huì)隨著溫度的上升呈指數(shù)特征增加。
當(dāng)PN結(jié)反向偏壓增加時(shí)，反向電流引起的熱損耗導(dǎo)致結(jié)溫上升，結(jié)溫的升高又導(dǎo)致反向電流增大，如果冷卻裝置不能及時(shí)將熱量傳遞出去，結(jié)溫上升和反向電流的增加將會(huì)交替循環(huán)下去，最終PN結(jié)發(fā)生擊穿，這種擊穿是由熱效應(yīng)引起，稱為熱擊穿。
同樣的原理，IGBT熱失效機(jī)理也可從產(chǎn)生的熱量與所能耗散的熱量間的熱平衡關(guān)系來(lái)進(jìn)行分析。
如果Pheat是IGBT產(chǎn)生的功率損耗，Pcool是可以通過(guò)封裝和散熱器最大限度的功率耗散，則IGBT發(fā)生熱擊穿條件的表達(dá)式為：
如果該條件在一個(gè)固定的工作點(diǎn)上實(shí)施，結(jié)溫會(huì)以指數(shù)規(guī)律快速升高，導(dǎo)致IGBT發(fā)生熱擊穿。
1）IGBT極限功耗由IGBT功耗的溫度曲線與結(jié)-殼穩(wěn)態(tài)傳熱功耗的溫度曲線相切時(shí)的切點(diǎn)，即臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功耗得到，由此可對(duì)IGBT電氣參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2）IGBT可在結(jié)溫穩(wěn)定點(diǎn)附近保持熱平衡狀態(tài)，一旦到達(dá)非穩(wěn)定點(diǎn)，IGBT結(jié)溫和功耗會(huì)形成正反饋導(dǎo)致結(jié)溫持續(xù)上升，直至發(fā)生熱擊穿失效。
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