功率半導體IGBT熱擊穿失效的可靠性研究

摘要：針對變頻空調使用緣柵雙極型晶體管（IGBT）擊穿短路故障進行分析，確認IGBT為過壓損壞失效。空調供電電源出現大的波動影響芯片供電電源質量，電壓偏低導致IGBT開通異常，不能及時欠壓保護，IGBT 長時間處于工作在放大狀態，IGBT開通損耗大熱擊穿失效。本文主要從電路設計，工作環境，模擬驗證等方面分析研究，確認IGBT擊穿短路失效原因，從設計電路與物料選型優化提升產品工作可靠性。

關鍵詞：驅動芯片；欠壓保護；熱擊穿；共地線；電源波動；諧波

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）是一種綜合了金屬 - 氧化物半導體場效應晶體 管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET）和雙極型晶體管（bipolar junction transistor， BJT）結構的復合器件，并且同時吸收了二者的優點， 具有輸入阻抗高、開關速度快、驅動功率小、飽和壓降 低、控制電路簡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用。自 1986 年投入市場后，IGBT 迅速擴展應用領域，成為中、大功率電力電子裝置的主導器件，不僅應用于電力系統，而且也廣泛應用于一般工業、交通運輸、通信系統、計算機系統和新能源系統。PFC 升壓 v 電路中 IGBT 擊穿短路，導致電路多個器件失效，電路工作可靠性存在不足。

1 背景

變頻外機控制器 PFC 電路、開關電源電路多個器件擊穿短路失效，檢測相同點均有 IGBT 短路失效，并伴隨電路其它器件保險管、整流橋、IGBT、驅動芯片、檢測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仁?，故障存在同一用戶維修多臺空調的情況。

2 IGBT失效機理以及驅動芯片分析

通過分析得出，用戶電網存在其它的大型電壓設備電機，由于三相交流電機本體有氣隙磁場畸變、逆變控制過程中的死區時間等問題，在三相交流電網及電機輸入端的電能中產生大量的諧波。而這些諧波給三相交流電網其它設備帶來了巨大的潛在危害。電源電壓跌落、電壓尖峰、諧波等導致電源一直處在波動狀態，IGBT 由于電路驅動芯片無欠壓保護一直工作在放大狀態導致失效。

2.1 器件單體分析

2.1.1 IGBT性能與X光測試

對失效器件進行分析，主要失效器件為 IGBT，并導致其它功率器件整流橋、保險管、電流檢測電阻失效。萬用表測試 IGBT 三腳短路，整流橋不同管腳短路，見下圖 1，X 光核實內部過電損傷。

2.1.2 開封分析

對 IGBT 開封確認樣品失效點，見圖 2，晶圓部分存在過電損傷點，分析為過電導致晶圓擊穿短路，器件本身未發現異常。

2.2 工作環境分析

通過對多個空調使用環境電源波形測試情況分析，主要是電源電壓高，存在諧波較多，電源電壓不穩定存在較大波動。用戶均有使用大功率電機等設備，且空調與設備處于同一個電網中，均使用同一個變壓器，確認空調使用環境電源質量較差，異常波動較大。

2.2.1 電壓高存在毛刺

在對建材公司發現電源電壓均存在偏高的情況，見下圖 4 所示，最高可達 247 V 左右，電源監測中偶發有尖峰毛刺，用戶電網運行設備主要是運送貨物的起重機，空調裝在辦公室。

2.2.2 電壓存在諧波

在對建筑類公司測試發現電網存在較高諧波的情況，見下圖 5 所示，空調主要安裝在員工宿舍使用。廠內均有大功率電機設備，生產用電與生活用電為同一個電路，當大型用電設備開啟時，電源存在較大尖峰脈沖，峰值最高可達 400 V，相比正常額定工作電壓變化超過 70 V 以上，一個周期內存在多個諧波，單個諧波電壓最高 200 V，持續時間最長 200 μs。

2.2.3 電壓存在跌落

用戶空調安裝在水泥攪拌站辦公室內，使用示波器測試用戶電壓波動不穩定，見下圖 6 所示，在 257 V~202 V 之間一直跳變，同時出現電壓瞬間跌落的現象。

2.3 驅動芯片分析

對失效數據分析，96% 以上失效 IGBT 電器盒均搭配使用的是 A 廠家驅動芯片，分析得出 A 廠家驅動芯片沒有欠壓鎖定功能。對 A 廠家驅動芯片和 B 廠家驅動芯片單體動態參數對比測試，測試發現 A 廠家驅動芯片輸入懸空狀態，輸出默認為高電平輸出，A 廠家響 應時間比 B 廠家慢，無欠壓保護功能。具體測試如下：測試條件：使用穩壓源提供 15 V 電壓，信號發生器提供 3 V，10 kHz，50% 占空比信號。通道綠色為輸入信號，藍色為輸出信號。

2.3.1 A廠家驅動芯片

①響應時間，開通、關斷時間為65 ns，如下圖7所示。

②輸入最低電壓測試，如下圖 8 所示，輸入電壓小于 1.8 V 出現無電壓輸出，電壓大于等于 1.8 V 可以恢復正常輸出。

③欠壓保護測試，如下圖 9 所示，將 15 V 電源電 壓從 15 V 慢慢調低至 2 V 后才出現無電壓輸出，電壓大于 2 V 后有電壓輸出，確認 A 廠家驅動芯片無欠壓保護。

2.3.2 B廠家驅動芯片

①響應時間，開通、關斷時間為 26 ns, 如下圖 10 所示：

②輸入最低電壓測試，見下圖 11 所示，輸入電壓 小于 2.1 V 出現無電壓輸出，電壓大于等于 2.1 V 可以恢復正常輸出。

③欠壓保護測試，見下圖 12 所示，將 15 V 電源電壓從 15 V 慢慢調低至 8.5 V 出現無輸出欠壓保護狀態，調高到 9.25 V 后恢復正常輸出。

3 電路設計核查與模擬驗證

3.1 電路設計分析

強電 IGBT 負極與驅動芯片負極走線共用一段走線，見下圖 13 所示，驅動芯片通過這段走線才到高壓電解電容負極（終點零電位），屬于驅動芯片負極走線的方案。此種走線方式容易使器件受開關噪聲和共差模等因素干擾，當外界電壓出現異常時，地線引入干擾較大，從而導致驅動芯片無法控制IGBT，導致IGBT沖擊失效，在電源質量較差波動較大情況下易出現 IGBT 擊穿短路問題。

3.2 模擬驗證

對 IGBT 失效故障板進行模擬驗證，使用 A 廠家驅動芯片采用共地線電電路設計的控制器在整機驗證使用電源跌落沖擊電壓驗證，見下圖 14 所示為輸出波形。經實驗模擬驗證 A 廠家驅動方案共地線電路在電源不穩定的環境下容易出現 IGBT 擊穿短路。A 廠家的驅動芯片缺少欠壓保護等功能，在外部電源異常時容易引起 IGBT 出現不飽和導通而失效。模擬驗證失效主板可以復現 IGBT 擊穿短路，將故障 A 廠家驅動芯片與正常品對調后使用電源跌落沖擊電壓，故障跟隨驅動芯片走，確認微芯驅動芯片也存在失效。

A 廠家芯片設計無欠壓保護，實際排查發現部分損傷樣品接線板處有電打火痕跡，對打火位置進行模擬分析，使用拉弧工裝模擬見下圖 15 所示，A 廠家方案可復現故障，使用 B 廠家方案不能復現故障，比較 2 個芯片發現失效的 A 廠家芯片無欠壓鎖定功能，分析在外部接觸不良或者電源電壓跌落時，使用 A 廠家芯片方案的驅動信號會使 IGBT 工作在非飽和狀態，此時 IGBT 為非正常狀態局部功耗較大進而引起器件損傷，波形測試明確了該失效機理。

4 IGBT失效整改與驗證

經過失效分析發現 A 廠家驅動芯片設計沒有欠壓保護功能，地線走線設計存在缺陷，強弱電地線沒有有效分開導致在空調供電電源出現大的波動影響芯片供電電源質量，電壓偏低導致 IGBT 開通異常，不能及時欠壓保護。在外部電源存在波動時，15 V 驅動信號變差， IGBT 器件存在不飽和導通，一直在米勒平臺的壓值附近振蕩，出現較長的拖尾電流，IGBT 長時間處于工作在放大狀態，IGBT 開通損耗大熱擊穿失效。

主要是優化地線走線方案，以及軟件控制策略優化。高頻線路地線對高速開關的穩定性至關重要，將驅動信號地線優化至主電容接地點，將驅動芯片的地與器件發射極的地分離開，減少器件開關噪聲和共差模干擾等因素。新整改電路經驗證使用不同廠家 IGBT 與不同廠家驅動芯片搭配，見下圖 16 所示，使用拉弧測試和電壓跌落測試未出現器件損傷，整機運行 PFC 正常開啟，未出現保護現象，驗證整改效果有效。

5 失效整改總結及意義

IGBT擊穿短路失效主要原因為電路設計存在缺陷，物料選型無欠壓保護功能，當外界電源出現較大波動時不能有效關斷導致失效。通過實際應用過程中的問題反饋信息，本文從涉及 IGBT 擊穿短路的多方面因素進行分析，對電路進行優化，解決了器件在應用環境中工作可靠性問題，顯著提高實際應運中的可靠性。

參考文獻:

[1] 張永會,張恩龍等.三相不平衡系統中感應電機諧波抑制方法研究[J].沈陽工程學院學報(自然科學版),2021(01):47-50.

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（注：本文轉自《電子產品世界》雜志2022年6月期）