IGBT電壓擊穿特性分析

汪 波 胡 安 唐 勇 陳 明

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033）

1 引言

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種綜合了功率場效應晶體管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）結構的復合器件，并且同時吸收了二者的優點[1]，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。新一代溝槽柵場終止型 IGBT綜合了前幾代產品的優點并采用最新的功率半導體制造工藝[2]，在前幾代結構基礎上增加了一個重摻雜的場終止層，提高了正向阻斷能力，得到了廣泛的應用。

長期以來 IGBT的應用選型一般還是采用經驗的粗放式設計方法，難以做到優化，往往留有過大的裕量，受到器件功率水平的限制，這種方法在大容量的電力電子變換裝置中會導致器件的串、并聯，其結果是器件的數目非常龐大，實現的復雜程度和難度非常高，而且體積、重量和可靠性難以滿足軍用移動作戰平臺的要求。導致這種狀況的原因一方面是由于對 IGBT內部機理的研究不夠深入，對所能承受的實際電壓值難以做到準確的計算，另一方面是由于對電壓擊穿的失效機理和失效模式理解不夠。

IGBT的過電壓擊穿失效是工程應用中最常見的失效機理之一，由于電網波動、負載突變、電路故障以及電磁干擾的影響，尤其是在電力電子裝置中線路和器件內部分布雜散電感的存在，開關時會感應一個電壓尖峰疊加在母線電壓上，引起過電壓擊穿。通常認為一旦超過其額定電壓就會引起過電壓擊穿，導致發生不可逆的失效，這種認識誤區源于對 IGBT發生過電壓時的工作特性和過電壓擊穿失效機理認識不足。國外對 IGBT擊穿電壓的計算推導以及發生電壓擊穿時的特性研究開展較早[3-6]，主要基于半導體物理知識研究 IGBT內部反偏 PN結的雪崩電壓擊穿特性，且集中在 IGBT的發展早期，后期的研究熱點集中在結溫探測、電熱模型、壽命及可靠性評估，而對開關過程中的過電壓擊穿特性和失效機理分析很少涉及；國內由于不具備大功率 IGBT芯片的研發和制造能力，還停留在封裝測試階段，一般研究器件的驅動保護較多，僅有少量的文獻和專著涉及到雪崩電壓擊穿和過電壓擊穿失效分析[7-9]。

本文基于 IGBT結構和 PN結雪崩電壓擊穿原理，分析了場終止型 IGBT雪崩擊穿電壓的計算公式，并考慮溫度的影響，測量了在不同溫度時的雪崩擊穿電壓值。分析了關斷時由于電壓尖峰過大引起 IGBT過電壓擊穿時的電壓、電流特性，以及抑制電壓尖峰的方法。從熱平衡和能量與結溫升的角度分析了 IGBT過電壓擊穿的失效機理和失效模式，最后通過實驗驗證了 IGBT在不同電壓、電流條件下所能承受的短時過電壓擊穿能力。

2 IGBT雪崩電壓擊穿特性

2.1 IGBT雪崩擊穿分析

溝槽柵場終止型IGBT的結構如圖1所示，可以看成是由MOSFET驅動的BJT。在IGBT處于正向阻斷狀態時，集電極電壓為正，發射極電壓為負，柵極電壓為零或負，J1結正偏，J2結反偏以承受外部高阻斷電壓。在N-寬基區和P+發射極之間加入了一層重摻雜的 N+層，也稱為場終止層，可以有效阻止J2結的耗盡層穿通N-基區而延伸到P+底發射極，由于生產工藝的不同，場終止層在厚度、摻雜濃度上與穿通型 IGBT的緩沖層都有很大的不同。

圖1 溝槽柵場終止型IGBT結構Fig.1 Field-stop trench gate structure of IGBT

當IGBT承受外部阻斷電壓很高時，內部J2結的空間電荷區電場隨著反偏壓的升高而增強到某一臨界值，點陣原子的電離直接成為少數載流子的抽取源而使反向電流急劇升高，從而產生大量的額外電子和空穴。當空間電荷區中的最大電場強度超過這一臨界值時，在反偏電壓驅動下從中性區邊界漂移進來的載流子受電場加速獲得很高的動能，這些高能量的載流子在空間電荷區與點陣原子碰撞時使之電離，產生新的電子-空穴對。新生的電子-空穴對立即被強電場分開并沿相反方向加速，進而獲得足夠動能使另外的點陣原子電離，產生更多的電子-空穴對，載流子在空間電荷區倍增下去，反向電流迅速增大，發生雪崩擊穿，直至 PN結損壞。這個使得PN結電場增強到臨界值的外部電壓稱為IGBT的雪崩擊穿電壓。

2.2 雪崩擊穿電壓計算

IGBT處于正向阻斷狀態時，隨著電壓的逐漸增大，承受阻斷電壓的J2結耗盡層不斷向輕摻雜側N-基區展寬，耗盡層內電場不斷增強。由于 IGBT是一種復合結構器件，內部PNP晶體管的放大作用會導致J2結的雪崩擊穿電壓降低，而場終止型結構的N+層可以減小內部晶體管的放大倍數，對提高器件的擊穿電壓有利。場終止型 IGBT的雪崩擊穿電壓值可表示為

式中，VA是IGBT雪崩擊穿電壓；VB是共基擊穿電壓；α是共基電流放大倍數；W是基區厚度；Wd是基區耗盡層寬度；D和τ分別為載流子擴散系數和壽命；NB是基區摻雜濃度；εSi和ε0分別為硅的介電常數和真空電容率；n為系數，對P+N結為6，對 PN+結為 4。

由式（1）可以看出，IGBT的雪崩擊穿電壓主要與寬基區的摻雜濃度和載流子壽命有關，通過提取基區摻雜濃度[10]和載流子壽命[11]代入方程可以計算出IGBT的雪崩擊穿電壓值。

考慮到溫度的影響，有

從上式可以看出，IGBT的雪崩擊穿電壓隨著溫度的升高而上升。

2.3 雪崩擊穿電壓測量

在 IGBT輸出特性曲線的截止區，即柵極電壓小于閾值電壓時，集電極電流幾乎不隨集-射極電壓的增加而變化，但是當集-射極電壓到達雪崩擊穿電壓時，電流就會迅速上升。一般取柵極電壓為零時，通過監測集電極漏電流的變化可以測量 IGBT雪崩擊穿電壓值。

圖2 IGBT輸出特性曲線Fig.2 Output characteristic of IGBT

選取兩種型號分別為 FS15R06VE3和GD50HFL120C1S的 IGBT，其額定電壓值分別為600V和1200V，通過底板溫控改變IGBT結溫，測量在不同溫度下的雪崩擊穿電壓值，結果如表所示。

表 不同溫度下的雪崩擊穿電壓Tab. Avalanche breakdown voltage under different temperatures

可以看出，IGBT雪崩擊穿電壓值會高于額定電壓值，且具有正溫度系數，約為0.7V/℃。

3 IGBT過電壓擊穿及抑制

3.1 IGBT過電壓擊穿

由于負載、線路和器件內部分布電感的存在，關斷時電流的快速變化會感生一個電壓尖峰疊加在母線電壓上，另外工作過程中電網波動、負載突變、外部電磁干擾的影響也可能出現瞬時過電壓。IGBT發生過電壓擊穿時的電壓、電流波形如圖3所示，其中 IGBT型號為 FS15R06VE3，開關模式采用雙脈沖。

圖3 IGBT過電壓擊穿波形Fig.3 Over-voltage breakdown waveforms of IGBT

從圖3中可以看出，關斷時產生的感應電壓疊加在母線電壓上，使得電壓尖峰超過了IGBT的雪崩擊穿電壓值，發生了電壓擊穿。此時雖然柵極已經關斷，內部 MOSFET導電溝道消失，集電極電流迅速下降，但是雪崩電壓擊穿產生的漏電流使得集電極電流并不是迅速下降到零，而是在擊穿期間慢慢下降，一直持續到雪崩電壓擊穿結束，電流下降到零，IGBT才完全表現為關斷。在發生電壓擊穿期間，IGBT集-射極兩端電壓被鉗位在雪崩擊穿電壓值，持續時間大約為 10μs，而在不發生電壓擊穿時IGBT關斷時間通常只有100多納秒。當雪崩擊穿過程結束，IGBT又恢復其阻斷功能，在下一脈沖到來時，仍能夠正常開關工作，而沒有發生破壞性失效。這說明IGBT發生過電壓擊穿時，雪崩電壓擊穿本身不會損壞器件，是個可恢復性過程。

3.2 IGBT電壓尖峰抑制

由于電力電子變換裝置線路和器件內部呈現感性，關斷時總會有電壓尖峰，完全消除雜散電感是不可能的，但是可以最大限度地減小線路寄生雜散電感，一般通過縮小整個電路的有效回路面積來實現，比較有效的方法是采用分層布線結構，或使用連接母排，可最大限度地減小線路儲能，在給定的關斷速度下，電壓尖峰將會大大降低。另外采用適當增大柵極驅動電阻也可抑制過電壓尖峰，但會增加器件的功率損耗，應該看到IGBT發生過電壓擊穿時的功率損耗遠大于增加的開關損耗，對于電壓尖峰接近或小幅超過雪崩擊穿電壓的情形下仍不失為一種過電壓抑制的方法。另外，半導體功率器件 IGBT對溫度極為敏感，隨著溫度的上升，過剩載流子壽命增大，從而導致關斷時電流下降過程變緩，關斷時間延長，電壓尖峰相應地減小。

對 IGBT關斷時電壓尖峰與柵極驅動電阻和溫度的關系進行了實驗，柵極驅動電阻分別選為5.1Ω、12 Ω、56 Ω和 300 Ω，測試得到的關斷電壓尖峰波形如圖 4所示。用底板溫控加熱設備改變IGBT結溫，將溫度分別設定在25℃、50℃、75℃、100℃，采用單脈沖模式消除自熱的影響，測試得到的關斷電壓尖峰波形如圖5所示。

圖4 不同柵極電阻時的尖峰電壓Fig.4 Peak voltage under different gate resistance

從圖4、圖 5中可以看出，增大柵極驅動電阻和溫度升高都對關斷時的電壓尖峰抑制有利。

圖5 不同溫度時的尖峰電壓Fig.5 Peak voltage under different temperatures

4 IGBT過電壓擊穿失效機理和模式

4.1 失效機理

由以上分析可知，IGBT雪崩電壓擊穿是個可逆過程，本身不會損壞器件，但是在實際應用中發生過電壓擊穿后往往會伴隨著器件的損壞，而且是不可逆的破壞性失效。為分析過電壓擊穿的失效機理，采用較大的分布電感以產生較大的電壓尖峰引起過電壓的實驗電路，IGBT型號仍為FS15R06VE3，母線電壓取為 400V，脈沖電流為10A，開關頻率為 5kHz，占空比為 0.5，采用多脈沖模式，測得IGBT電壓、電流波形如圖6所示。

圖6 IGBT過電壓擊穿失效波形Fig.6 Over-voltage failure waveform of IGBT

從圖6可以看出，IGBT經過13個過電壓脈沖周期后失效，失去了開關控制能力，對外表現為短路。

IGBT過電壓擊穿的失效過程和機理可以從熱平衡和能量與溫升的角度來進行分析，工作時的功率損耗由導通功耗、開通功耗、關斷功耗和斷態功耗四部分組成，其中開通功耗和斷態功耗所占比例很小可以忽略。由于在關斷期間發生了過電壓擊穿，IGBT的集-射極端電壓被鉗位在雪崩擊穿電壓而變得很大，且集電極電流也是緩慢下降到零，產生了很大的功率損耗，在雪崩擊穿期間產生的焦耳熱為

其中積分區間為發生過電壓擊穿的時間，對于大功率 IGBT模塊，在過電壓擊穿期間功率損耗可以達到幾千瓦，相應地產生的焦耳熱也遠大于導通時產生的熱量。由于 IGBT是個多層密封結構，內部硅芯片工作時消耗電能轉化為熱量，相當于熱源，硅芯片表面覆蓋有硅膠，阻止熱量向上傳遞，只能通過與之連接的直接覆銅層（DBC）向下傳遞，最后通過散熱器交換到周圍環境中。IGBT擊穿時在很短時間內產生的焦耳熱，來不及通過底殼向外傳遞或傳遞的熱量很小，所產生的熱量促使結溫上升，而且在下一個過電壓擊穿過程到來時又會產生同樣的熱量，隨著溫度的上升，雪崩擊穿電壓變大導致產生的焦耳熱更大，形成熱量累積，經過n個脈沖周期后，IGBT產生的總熱量為

IGBT過電壓擊穿產生的總熱量一小部分給DBC層加熱和通過散熱器傳遞到周圍環境中，另一大部分給內部硅芯片加熱，促使結溫升高，結溫變化關系可表示為

式中，Qh為給 DBC層加熱的熱量，Qs為散熱器帶走的熱量，在毫秒級期間向外傳遞的熱量很少。

隨著溫度的不斷升高，IGBT內部PN結的局部電流密度會增大，電流就被吸取到這個溫度最高的區域中去，一旦某一點的溫度到達本征溫度，局部的載流子產生率就很容易增大幾個數量級，于是IGBT內部的PN結就會被一塊稱為中等離子體的細絲狀高電導本征半導體有效旁路，導致 PN結發生不可逆的退化。這種退化與單純的雪崩擊穿是不同的，發生雪崩擊穿時溫度一直低于本征溫度，對PN結并無損壞，而溫度升高引起的這種不可逆的退化會損壞 PN結。初始失效對外表現為短路，隨著溫度的繼續升高，中等離子體區的溫度可能超過電極接觸處金屬-硅低共熔合金的熔點，或者超過半導體的熔點，一旦芯片或鍵絲熔化，最終失效會表現為開路。

另外，IGBT發生過電壓擊穿且初始失效表現為短路后，在同樣的負載條件下，脈沖電流就會變成連續電流，由于在脈沖模式下的電流較大，通常會大于在連續模式下的電流，導致 IGBT承受過電流引起結溫的進一步上升，當溫度到達鍵絲或硅芯片的熔點，最終會因為熔化而對外表現為開路。因此，IGBT的過電壓擊穿失效本質上是由于產生的焦耳熱過大引起結溫升過高的熱擊穿失效。

4.2 失效模式

IGBT發生過電壓擊穿失效后打開封裝，去除表面覆蓋的硅膠，內部硅芯片表面如圖7所示。圖7a為失效模式對外表現為短路時的硅芯片表面，也就是初始失效表現為短路后立即停止工作；圖 7b為失效模式對外表現為開路時的硅芯片表面，也就是初始失效表現為短路后仍繼續通電流直至表現為開路。可以看出短路失效時表面并沒有熱熔化的痕跡，而開路失效可以明顯的觀察到表面硅芯片熔化的痕跡。

圖7 IGBT芯片失效表面Fig.7 Failure surface of IGBT chip

5 實驗及分析

對 IGBT在不同電壓、電流時的短時過電壓擊穿承受能力進行了實驗驗證，IGBT型號為FS15R06VE3。實驗條件為：開關頻率為5kHz，占空比為0.5，采用連續多脈沖模式，母線電壓400V，減小負載電阻將電流提高到15A，增大母線電壓到500V，調節負載電阻使電流維持在10A，分別測得IGBT電壓、電流波形如圖8所示。

從圖6和8a可以看出，在同樣的電壓條件下，增大電流到15A后，IGBT經過3個過壓脈沖周期就發生了失效；圖8b相比于圖6是在同樣的電流下，增大母線電壓到500V后經過10個脈沖周期發生了失效。對比發現，在電壓相同而電流不同的情況下，雖然過壓擊穿持續時間相差不多，均為10μs左右，但是電流較大時在同樣的時間內產生的熱量更多，所以能承受的過壓脈沖周期更短；而在電流相同時，電壓較高會使得過壓擊穿的持續時間明顯增大，從10μs增大到15μs，產生的熱量也增加了，所能承受的過壓脈沖時間更短。

圖8 不同電壓、電流時的波形Fig.8 Waveforms of different voltages and currents

以上實驗和分析表明，即使 IGBT在關斷瞬態時由于電壓尖峰過大發生了過電壓擊穿，只要累積的熱量不會造成結溫升高到本征失效溫度，通過外部動作使 IGBT在失效前能及時退出過電壓擊穿狀態，則 IGBT就不會發生破壞性的失效，也就是說IGBT在一定條件下可以承受短時過電壓擊穿，在這個時間范圍即使發生了過電壓仍不會發生破壞性失效。

6 結論

本文分析了 IGBT關斷時由于電壓尖峰過大引起過電壓擊穿的電壓、電流工作特性，發現過電壓擊穿失效的本質在于雪崩電壓擊穿時產生的焦耳熱累積引起結溫不斷上升的熱擊穿失效，其失效模式初始表現為短路，最終表現為開路。通過實驗發現IGBT可以承受短時過電壓擊穿的能力，只要在發生熱擊穿失效前能及時退出過電壓擊穿狀態，就不會損壞器件，只有結溫升高到本征溫度才會發生不可逆的失效。

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