姜志鵬 閻浩 楊娟

摘 要： 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）常被應(yīng)用于汽車、火車的電機(jī)控制系統(tǒng)以及航空航天設(shè)備的開關(guān)電源中。IGBT的失效會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的效率下降，嚴(yán)重的會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)失效。通過識(shí)別和監(jiān)測IGBT失效所導(dǎo)致電路特性參數(shù)的變化可以做到對其失效的預(yù)測和避免。為研究IGBT老化是否會(huì)對電路輸出特性造成影響，以Buck電路為研究對象，設(shè)計(jì)了大電流下便于替換IGBT的Buck電路，對IGBT進(jìn)行熱應(yīng)力老化實(shí)驗(yàn)，獲取老化后的IGBT，并將老化后的IGBT引入到設(shè)計(jì)的Buck中，實(shí)驗(yàn)分析了IGBT老化對于Buck電路輸出電壓的影響。得出IGBT的老化會(huì)導(dǎo)致Buck電路輸出電壓平均值增大、高頻雜波幅值增大的結(jié)論，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電路中IGBT老化的檢測以及初期的故障診斷提供了可供提取的特征參數(shù)。

關(guān)鍵詞： IGBT； Buck電路； 老化失效； 特征分析

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0126?04

Feature analysis on aging failure of IGBT in Buck circuit

JIANG Zhipeng， YAN Hao， YANG Juan

（School of Electronics and Information Engineering， Jinling Institute of Technology， Nanjing 211169， China）

Abstract： The insulated gate bipolar transistor （IGBT） is common used in the motor control system of automobile and train， and switching mode power supply of aerospace equipment. The IGBT failure can reduce the system efficiency， or even directly results in system failure. The variation of circuit characteristic parameter caused by IGBT failure is identified and monitored to effectively predict and avoid the failure. To study whether IGBT aging can influence on the circuit output characteristics， the Buck circuit is taken as the research object to design the Buck circuit convenient for replacing IGBT under large current condition. The heat stress aging test for IGBT was performed and then the aged IGBT was obtained. The aged IGBT was introduced into the designed Buck circuit to analyze its influence on output voltage of Buck circuit. The conclusion that the aged IGBT can increase the output voltage average value of Buck circuit and amplitude of high?frequency noise wave is obtained， which provides some extractable feature parameters for IGBT aging detection and nascent fault diagnosis of the circuit.

Keywords： IGBT； Buck circuit； aging failure； feature analysis

IGBT是一種集功率場效應(yīng)管（MOSFET）和雙極型功率晶體管（BJT）于一身的復(fù)合器件，具有驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)損耗低、工作頻率高、可承受高電壓和大電流、通態(tài)壓降小、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。作為電能變換裝置的核心部件，是一種可靠性高、壽命長的電力電子器件，其壽命（開關(guān)次數(shù)）可達(dá)106次[1]。因此IGBT被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代電氣設(shè)備中。其中以DC/DC變換器為基礎(chǔ)的開關(guān)電源，是IGBT在電力電子設(shè)備中的典型應(yīng)用。現(xiàn)有文獻(xiàn)資料對DC/DC變換器的研究多集中在功率因數(shù)校正、新型控制方式的探討和變換器輸出本質(zhì)安全要求的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，但有關(guān)開關(guān)電源可靠性方面研究很少[2]。然而，在DC/DC電路中，IGBT重復(fù)開通或關(guān)斷，在熱沖擊的反復(fù)作用下會(huì)產(chǎn)生失效或疲勞效應(yīng)，其工作壽命與可靠性將影響到整個(gè)裝置或系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此對DC/DC電路進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測評估與故障診斷，提高其可靠性分析是一個(gè)亟待解決的問題。本文以Buck電路為研究對象，通過研究IGBT老化機(jī)理，分析其老化對電路外部特性的影響，對Buck電路輸出電壓的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

1 IGBT老化機(jī)理

IGBT最常見的老化機(jī)理是由封裝材料受熱機(jī)械應(yīng)力所產(chǎn)生的[3]。主要原因是芯片和封裝中不同材料之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同，或者溫度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。這兩種原因均屬于熱機(jī)械疲勞，會(huì)導(dǎo)致IGBT出現(xiàn)鍵合線脫落和焊料層疲勞兩種老化現(xiàn)象[4]。

鍵合線老化主要是由鍵合線連接處裂縫擴(kuò)張?jiān)斐傻腫5]。當(dāng)芯片受到較大溫度變化時(shí)，由于鋁和硅兩種材料之間CTE的較大差異，將導(dǎo)致鍵合線連接處裂縫受熱機(jī)應(yīng)力而擴(kuò)張，最終導(dǎo)致鍵合線脫落，其直接后果就是電氣斷路。

焊料層疲勞出現(xiàn)在基板與各層材料之間[6]。焊料層疲勞與焊料初始的微結(jié)構(gòu)、基板的金屬化程度以及內(nèi)部的金屬化合物有關(guān)，盡管其主要機(jī)理是蠕性形變。焊料層疲勞可以通過對熱阻值的變化進(jìn)行測量判定。目前已經(jīng)用于檢測焊料層疲勞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是熱阻增大20%。

除去以上與封裝老化的機(jī)理外，熱載流子注入是一種典型的芯片相關(guān)的老化機(jī)理。在高溫工作下，當(dāng)載流子獲得超出晶格勢壘的能量時(shí)，熱載流子可以被注入柵極氧化層或者其他的接口。熱載流子注入會(huì)導(dǎo)致IGBT的外部特性，如閾值電壓、跨導(dǎo)、漏電流發(fā)生變化，并最終導(dǎo)致器件失效。

2 Buck實(shí)驗(yàn)電路

2.1 主電路IGBT的接入方式

選擇Buck電路作為IGBT老化故障注入的實(shí)驗(yàn)電路的原因在于，Buck電路主電路相對簡單，除去開關(guān)管之外的其他器件較少，半導(dǎo)體器件僅有IGBT和續(xù)流二極管，IGBT以外的參數(shù)變化容易控制。

考慮到需要在后續(xù)的故障注入中頻繁更換IGBT，因此需要將IGBT設(shè)計(jì)為易更換的接入方式，同時(shí)考慮到流經(jīng)IGBT集電極和發(fā)射極兩端的電流相對較大，因此不適合采用芯片座和排母之類的連接方式。這里給出一種貼片式的連接方式，即將IGBT以貼片的方式從電路板側(cè)方平行焊接到PCB板的焊盤上，這樣即解決了大電流工況下IGBT的更換問題，同時(shí)也方便了散熱片的安裝。IGBT設(shè)計(jì)為易于替換的優(yōu)點(diǎn)在于，可以將IGBT單獨(dú)進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，而不影響電路上其他器件性能的變化。主電路上的測試端子采用香蕉插座，配合香蕉插頭，可以直接對關(guān)鍵點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行測量。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

脈沖發(fā)生電路如圖1所示，采用UC3875N作為脈沖發(fā)生芯片，UC3875N的輸出為兩路反相的脈沖方波信號(hào)，送往如圖2所示的互補(bǔ)放大電路，經(jīng)變壓器隔離，最終輸出為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖3所示。

3 IGBT老化對Buck電路的影響

IGBT的老化采用外部溫度變化的方式，通過設(shè)定IGBT的工作溫度范圍為30～100 ℃，令I(lǐng)GBT的殼溫在上下閾值溫度范圍內(nèi)反復(fù)變化，直到飽和導(dǎo)通壓降VCE達(dá)到所設(shè)定失效臨界點(diǎn)，則停止老化實(shí)驗(yàn)，最終獲得老化后的IGBT[7]。

圖4給出了Buck電路輸出電壓的對比。其中藍(lán)色曲線的為IGBT老化前的輸出電壓波形，紅色、黃色和綠色的曲線分別為IGBT老化后的輸出電壓波形。根據(jù)圖4可以看出，IGBT老化后所測得的幾組波形差異不大，基本重合，而老化后與老化前的差異較為明顯。在輸出電壓幅值上，老化后的輸出電壓平均值經(jīng)計(jì)算為7.000 1 V，老化前的輸出電壓平均值為6.757 8 V，差異在0.25 V左右，比較明顯。其原因是隨著焊料層老化加深，熱阻逐漸增大，致使內(nèi)部結(jié)溫升高，載流子遷移率增大，于是PN結(jié)等效電阻減小，IGBT導(dǎo)通電阻減小，則導(dǎo)致了輸出電壓的增大。根據(jù)圖4可以直觀看出IGBT老化前后，輸出電壓的紋波頻率也發(fā)生了改變。

Buck電路輸出電壓的頻譜對比如圖5所示。根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)在高頻段，IGBT老化后輸出電壓頻譜的幅值相對于老化前，整體上發(fā)生了偏移，高頻幅值在老化后明顯增大，150 kHz～30 MHz范圍內(nèi)為傳導(dǎo)EMI的頻譜范圍，傳導(dǎo)EMI主要由電路本身的寄生電感和寄生電容產(chǎn)生，傳導(dǎo)EMI的增大，說明老化后IGBT其相應(yīng)寄生參數(shù)發(fā)生了改變。

圖6和圖7給出了同一時(shí)間測量的多組IGBT未老化的Buck電路輸出電壓及其頻譜，可以看出未老化的情況下輸出電壓時(shí)域波形和頻譜具有良好的一致性，排除了老化前后差異的偶然性原因。

圖8給出了在1.5 MHz附近的頻譜圖。根據(jù)圖8可以看出，在1.5 MHz附近，老化后的頻譜幅值在原有基礎(chǔ)上出現(xiàn)了明顯的增大，且部分尖峰出現(xiàn)的頻點(diǎn)出現(xiàn)了一定程度的偏移。該頻率處老化前就存在頻譜尖峰，說明老化前的IGBT存在相應(yīng)的寄生參數(shù)，老化導(dǎo)致了這些參數(shù)發(fā)生了變化，于是出現(xiàn)了幅值的增大和尖峰頻率的偏移。

圖9給出了在3.8 MHz附近的頻譜圖。根據(jù)圖9可以看出，在3.8 MHz附近，老化前并未出現(xiàn)尖峰的頻點(diǎn)在老化后出現(xiàn)了幅值大幅增大的現(xiàn)象，說明IGBT老化后，某些可以忽略不計(jì)的寄生參數(shù)增大了，導(dǎo)致老化前沒有較大幅值的頻點(diǎn)出現(xiàn)了幅值較大的EMI。

電路的仿真結(jié)果如圖10所示。仿真過程采用Saber軟件的掃描工具（vary），分別設(shè)置了老化影響的相關(guān)參數(shù)，如溝道電阻、熱阻、跨導(dǎo)系數(shù)等，以各自設(shè)定步長掃描變化，最終得到老化過程中各參數(shù)變化對Buck電路輸出的影響。圖10中，從上到下依次為輸出電壓幅頻波形、輸出電壓相頻波形以及輸出電壓時(shí)域波形。仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果變化趨勢相符，輸出電壓隨著老化的加深而逐漸增大，高頻信號(hào)幅值也隨著老化而增大。

4 結(jié) 論

本文首先對IGBT的老化進(jìn)行了分析，并對其進(jìn)行了熱應(yīng)力老化實(shí)驗(yàn)以獲取老化的IGBT，給出了IGBT經(jīng)熱機(jī)械應(yīng)力老化后，對Buck電路輸出電壓的影響效果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著IGBT的老化，自身材料和結(jié)構(gòu)的變化以及熱阻的增加，導(dǎo)致其導(dǎo)通壓降下降，并且內(nèi)部雜散寄生參數(shù)開始增大。其結(jié)果反映在Buck電路中則是輸出電壓幅值平均值增大，高頻信號(hào)幅值整體上升，部分諧振頻點(diǎn)發(fā)生偏移，高頻性能下降。實(shí)驗(yàn)證明，IGBT老化會(huì)對電路輸出特性產(chǎn)生較為明顯的影響，因此可以通過Buck電路的輸出特性，如輸出電壓幅值和EMI幅值來判斷IGBT的老化。

由于缺少對于IGBT雜散寄生參數(shù)分析計(jì)算的方法和工具，本文沒能進(jìn)一步給出具體影響高頻信號(hào)改變的參數(shù)。但I(xiàn)GBT老化對于輸出特性影響的測量與分析，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電路中IGBT老化和初期故障診斷提供了可供提取的特征參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉賓禮，劉德志，唐勇，等.基于加速壽命試驗(yàn)的IGBT模塊壽命預(yù)測和失效分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，34（5）：556?563.

[2] PATIL N， DAS D， GOEBEL K， et al. Identification of failure precursor parameters for insulated gate bipolar transistors （IGBTs） [C]// Proceedings of 2008 International Conference on Prognostics and Health Management. Denver： IEEE， 2008： 1?5.

[3] TIAN B， WANG Z， QIAO W. Study on case temperature distribution for condition monitoring of multidie IGBT modules [C]// 2014 Twenty?Ninth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Fort Worth： IEEE， 2014： 2564?2568.

[4] XIANG D， YANG S， RAN L， et al. Change of terminal characteristics of a voltage?source?inverter （VSI） due to semiconductor device degradation [C]// Proceedings of 13th European Conference on Power Electronics and Applications. Barcelona： IEEE， 2009： 1?10.

[5] SMET V， FOREST F， HUSELSTEIN J J， et al. Ageing and failure modes of IGBT modules in high?temperature power cycling [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2011， 58（10）： 4931?4941.

[6] SONNENFELD G， GOEBEL K， CELAYA J R. An agile accelerated aging， characterization and scenario simulation system for gate controlled power transistors [C]// Proceedings of 2008 IEEE Autotest Conference. Salt Lake City： IEEE， 2008： 208?215.

[7] 楊旭.基于飽和壓降測量的IGBT功率模塊狀態(tài)評估方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.