Buck電路IGBT老化失效的特征分析

姜志鵬 閻浩 楊娟

摘 要： 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）常被應用于汽車、火車的電機控制系統以及航空航天設備的開關電源中。IGBT的失效會導致系統的效率下降，嚴重的會直接導致系統失效。通過識別和監測IGBT失效所導致電路特性參數的變化可以做到對其失效的預測和避免。為研究IGBT老化是否會對電路輸出特性造成影響，以Buck電路為研究對象，設計了大電流下便于替換IGBT的Buck電路，對IGBT進行熱應力老化實驗，獲取老化后的IGBT，并將老化后的IGBT引入到設計的Buck中，實驗分析了IGBT老化對于Buck電路輸出電壓的影響。得出IGBT的老化會導致Buck電路輸出電壓平均值增大、高頻雜波幅值增大的結論，為進一步實現電路中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。

關鍵詞： IGBT； Buck電路； 老化失效； 特征分析

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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管（MOSFET）和雙極型功率晶體管（BJT）于一身的復合器件，具有驅動電路簡單、驅動功率小、開關損耗低、工作頻率高、可承受高電壓和大電流、通態壓降小、熱穩定性好等優點。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（開關次數）可達106次[1]。因此IGBT被廣泛地應用于現代電氣設備中。其中以DC/DC變換器為基礎的開關電源，是IGBT在電力電子設備中的典型應用。現有文獻資料對DC/DC變換器的研究多集中在功率因數校正、新型控制方式的探討和變換器輸出本質安全要求的參數優化設計等方面，但有關開關電源可靠性方面研究很少[2]。然而，在DC/DC電路中，IGBT重復開通或關斷，在熱沖擊的反復作用下會產生失效或疲勞效應，其工作壽命與可靠性將影響到整個裝置或系統的正常運行，因此對DC/DC電路進行狀態監測評估與故障診斷，提高其可靠性分析是一個亟待解決的問題。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行了實驗分析。

1 IGBT老化機理

IGBT最常見的老化機理是由封裝材料受熱機械應力所產生的[3]。主要原因是芯片和封裝中不同材料之間的熱膨脹系數（CTE）不同，或者溫度在一定范圍內波動。這兩種原因均屬于熱機械疲勞，會導致IGBT出現鍵合線脫落和焊料層疲勞兩種老化現象[4]。

鍵合線老化主要是由鍵合線連接處裂縫擴張造成的[5]。當芯片受到較大溫度變化時，由于鋁和硅兩種材料之間CTE的較大差異，將導致鍵合線連接處裂縫受熱機應力而擴張，最終導致鍵合線脫落，其直接后果就是電氣斷路。

焊料層疲勞出現在基板與各層材料之間[6]。焊料層疲勞與焊料初始的微結構、基板的金屬化程度以及內部的金屬化合物有關，盡管其主要機理是蠕性形變。焊料層疲勞可以通過對熱阻值的變化進行測量判定。目前已經用于檢測焊料層疲勞的一個標準是熱阻增大20%。

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

2 Buck實驗電路

2.1 主電路IGBT的接入方式

選擇Buck電路作為IGBT老化故障注入的實驗電路的原因在于，Buck電路主電路相對簡單，除去開關管之外的其他器件較少，半導體器件僅有IGBT和續流二極管，IGBT以外的參數變化容易控制。

考慮到需要在后續的故障注入中頻繁更換IGBT，因此需要將IGBT設計為易更換的接入方式，同時考慮到流經IGBT集電極和發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，同時也方便了散熱片的安裝。IGBT設計為易于替換的優點在于，可以將IGBT單獨進行老化實驗，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，可以直接對關鍵點的信號進行測量。

2.2 驅動電路

脈沖發生電路如圖1所示，采用UC3875N作為脈沖發生芯片，UC3875N的輸出為兩路反相的脈沖方波信號，送往如圖2所示的互補放大電路，經變壓器隔離，最終輸出為IGBT的驅動信號。驅動信號波形如圖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，通過設定IGBT的工作溫度范圍為30～100 ℃，令IGBT的殼溫在上下閾值溫度范圍內反復變化，直到飽和導通壓降VCE達到所設定失效臨界點，則停止老化實驗，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計算為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，致使內部結溫升高，載流子遷移率增大，于是PN結等效電阻減小，IGBT導通電阻減小，則導致了輸出電壓的增大。根據圖4可以直觀看出IGBT老化前后，輸出電壓的紋波頻率也發生了改變。

Buck電路輸出電壓的頻譜對比如圖5所示。根據圖5可以發現在高頻段，IGBT老化后輸出電壓頻譜的幅值相對于老化前，整體上發生了偏移，高頻幅值在老化后明顯增大，150 kHz～30 MHz范圍內為傳導EMI的頻譜范圍，傳導EMI主要由電路本身的寄生電感和寄生電容產生，傳導EMI的增大，說明老化后IGBT其相應寄生參數發生了改變。

圖6和圖7給出了同一時間測量的多組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上出現了明顯的增大，且部分尖峰出現的頻點出現了一定程度的偏移。該頻率處老化前就存在頻譜尖峰，說明老化前的IGBT存在相應的寄生參數，老化導致了這些參數發生了變化，于是出現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。根據圖9可以看出，在3.8 MHz附近，老化前并未出現尖峰的頻點在老化后出現了幅值大幅增大的現象，說明IGBT老化后，某些可以忽略不計的寄生參數增大了，導致老化前沒有較大幅值的頻點出現了幅值較大的EMI。

電路的仿真結果如圖10所示。仿真過程采用Saber軟件的掃描工具（vary），分別設置了老化影響的相關參數，如溝道電阻、熱阻、跨導系數等，以各自設定步長掃描變化，最終得到老化過程中各參數變化對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域波形。仿真結果與實測結果變化趨勢相符，輸出電壓隨著老化的加深而逐漸增大，高頻信號幅值也隨著老化而增大。

4 結 論

本文首先對IGBT的老化進行了分析，并對其進行了熱應力老化實驗以獲取老化的IGBT，給出了IGBT經熱機械應力老化后，對Buck電路輸出電壓的影響效果。仿真和實驗結果顯示，隨著IGBT的老化，自身材料和結構的變化以及熱阻的增加，導致其導通壓降下降，并且內部雜散寄生參數開始增大。其結果反映在Buck電路中則是輸出電壓幅值平均值增大，高頻信號幅值整體上升，部分諧振頻點發生偏移，高頻性能下降。實驗證明，IGBT老化會對電路輸出特性產生較為明顯的影響，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雜散寄生參數分析計算的方法和工具，本文沒能進一步給出具體影響高頻信號改變的參數。但IGBT老化對于輸出特性影響的測量與分析，為進一步實現電路中IGBT老化和初期故障診斷提供了可供提取的特征參數。

參考文獻

[1] 劉賓禮，劉德志，唐勇，等.基于加速壽命試驗的IGBT模塊壽命預測和失效分析[J].江蘇大學學報（自然科學版），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功率模塊狀態評估方法研究[D].重慶：重慶大學，2012.