重复过流冲击下IGBT的性能退化研究

刘　丹，　徐正国

重复过流冲击下IGBT的性能退化研究

刘丹，徐正国

（浙江大学工业控制技术国家重点实验室，杭州310027）

实际应用中，功率变流器经常会发生过流，重复的过流冲击会造成其功率器件绝缘栅型双极性晶体管（IGBT）的性能退化，并形成累积损伤，最终导致失效，而突然的失效会带来经济损失和安全问题，故需对重复过流冲击下IGBT的性能退化进行研究，建立相应的在线监测方法.针对目前对IGBT在重复过流下性能退化的研究较欠缺，搭建了过流冲击的实验平台来实现IGBT的重复过流冲击实验；采集重复过流冲击过程中IGBT外部端子的电气量，并提出相应的新的性能退化指标——导通电阻.结果表明：重复过流冲击会造成IGBT的性能退化，影响其外部电气特性；提出的退化指标——导通电阻明显地表征了IGBT内部累积损伤的程度.

绝缘栅型双极性晶体管（IGBT）；过流；退化；导通电阻

近年来，功率变流器在机车牵引、电动汽车驱动、航空电源和可再生能源并网发电等工业领域得到越来越广泛的应用.一旦功率变流器发生故障，轻则造成系统停机，带来经济损失；重则引起安全事故.根据关于功率变流器的可靠性工业调研报告显示［1］，功率变流器各组成单元中，最易失效的是功率器件；在功率器件的使用类别中，绝缘栅型双极性晶体管（IGBT）器件占主导地位.实际运行中，由于工况不稳定及剧烈的波动性，使得功率变流器中的核心器件——功率器件，长期承受电热冲击，易引起老化失效［2］.因此，研究功率器件IGBT在电热冲击下的性能退化，便可据此提出相应的在线监测方案，能大大提高IGBT的可靠性，也将提高功率变流器的可靠性.

目前，研究功率器件IGBT在电热冲击下的性能退化而引起老化失效大致有3种：热功率循环累积失效、热载流子累积失效和重复短路脉冲冲击累积失效.

热功率循环累积失效，是指IGBT在实际运行中，会受到高温和温度波动带来的冲击，导致其焊锡层疲劳，损坏散热通道或键合线断裂，导致结温最终上升，当超过一定温度时，引起本征激发，发生短路故障.文献［3］中进行了IGBT的热功率循环实验，并提取故障指标，即当负载为感性时电压波形关断时的尖峰.

热载流子累积失效，是指在栅极电压很高或IGBT外封装破损时，IGBT内的载流子因能量过高而进入栅极氧化层，形成电荷累积，退化指标是IGBT栅极的阈值电压下降，最终导致IGBT栅极击穿而失控［4］.目前，由于栅极电路一般都比较稳定，故热载流子累积效应一般不发生.

重复短路脉冲冲击累积失效，是指IGBT重复承受短路脉冲冲击而引发的累积失效，在经过一定次数的短路脉冲冲击后，IGBT会在关断过程中，电流急剧上升，最终发生短路故障.文献［5-7］中研究了IGBT因重复短路脉冲冲击而累积失效的机理，即IGBT芯片上的铝金属层重构和键合线脱落，提出了相应的退化指标，即短路电流和通态电阻.

然而，在功率变流器实际应用中，由于其过流保护的存在，使得功率器件IGBT承受重复的过流冲击，而不是短路冲击，但有关IGBT承受过流冲击研究比较欠缺，因此，本文主要研究IGBT在重复过流冲击下的性能退化现象.

1　问题描述

实际运行中，IGBT作为功率器件会经常受到过流冲击，引起过流的原因为［8］：①电机负载突变，引起冲击过大；②电机和电机电缆相间或每相对地绝缘破坏，造成匝间或相间对地短路；③电机的漏抗、电机电缆的耦合电抗的变化；④输出端与电机距离太远，导致电缆等效电容变大；⑤输出侧有功率因数矫正电容或浪涌吸收装置；⑥装测速编码器时，速度反馈信号丢失或非正常；⑦内部参数设定问题：加减速太短，比例-积分-微分控制器（PID）调节器比例P、积分时间I参数不合理，超调过大等；⑧硬件问题：如电流传感器损坏.

实际应用中，功率变流器一般会设有过流保护.以变频器为例，当检测到峰值超过了额定电流的200%且带有突变性质的电流值，变频器就会显示OC（Over Current），表示已经过流，封锁变频器输出并进行报警［8］.而当IN＜I＜2IN（IN为变频器额定电流）时，变频器既不会报警停止工作，重复的过流冲击又会给IGBT造成累积损伤，最终导致其发生失效.本文针对该种累积失效情况，搭建过流冲击的实验平台，对IGBT进行重复过流冲击，同时采集IGBT外部电气参数，研究IGBT在重复过流冲击下的性能退化过程.

图1　过流冲击实验框图Fig.1　Overview for the overcurrent experimental circuit

2　实验平台

2.1实验设计

根据过流冲击所需实验条件设计的原理图见图1，主电源提供过流冲击的能量，通过与负载的配合，使得冲击IGBT的电流I满足：IN＜I＜2IN；DUT为待测IGBT，驱动电压为周期3 s，脉宽1 ms的脉冲宽度调制（PWM）波形，即待测IGBT每3 s中只有1 ms是导通的，在此期间承受过流冲击，周期设为3 s，这是为了避免IGBT在单次过流冲击后，引起IGBT的平均温升给实验带来影响；电炉丝作为感性负载，模拟电机负载的单相结构.数字信号处理器（DSP）用于产生驱动IGBT的PWM波形；驱动电路用于将控制波形放大来驱动IGBT的导通关断；温度传感器用于监测IGBT的壳温；温控仪是当待测IGBT承受足够多次的过流冲击后，发生短路引起电路的持续温升时，根据采集到的IGBT壳温，通过设定温度上限切断主回路，防止电路烧毁爆炸等.

实验中，对IGBT的集电极电流IC、IGBT的集电极-发射极电压UCE和IGBT的栅极-发射极电压UGE3个电气量通过数据采集卡进行高速采集，其中，电流信号通过串接在主回路中的分流器转换成电压信号得到.

2.2实验电路

根据过流冲击实验框图搭建过流冲击实验平台，见图2.包括主电路、控制电路和测量电路三部分.实际部分与原理框图中基本对应，不再赘述.

图2　过流冲击实验平台Fig.2　Photo of the overcurrent experimental platform

3　退化指标

3.1特性描述

IGBT的输出特性曲线如图3所示.IGBT开通过程中，随着栅压UGE的增大，其输出特性由未导通前的正向阻断区，到导通过程中的线性放大区，最后到完全导通时稳定在饱和区［9］.由图3可见，在IGBT完全导通时稳定在饱和区中，其输出特性呈线性关系，即电阻特性.同时，根据重复短路冲击的退化机理，重复的短路冲击会引起IGBT的铝金属层重构和键合线脱落，进而引起集电极-发射极通道的电阻增大［10］，而过流与短路从冲击本身的角度来说，只是程度大小上的差异.因此，本文将IGBT完全导通时的电流、电压电气量提取出来，并将两者相除，提出退化指标——导通电阻Ron，得到IGBT完全导通时的电阻特性，从而表征重复过流冲击下的IGBT性能退化程度.

图3　IGBT的输出特性Fig.3　The output characteristics of IGBT

3.2计算公式

退化指标——导通电阻Ron得到过程为：截取电气量UCE和IC每个周期中完全导通的部分，将UCE和IC导通部分的瞬时值相除，再进行均方根处理.计算公式为

式中，uon和ion分别为IGBT集电极-发射极电压UCE和集电极电流IC导通区间部分.

4　实验结果

4.1实验波形

用LABVIEW采集3个电气量的单个周期波形图如图4所示，下方的波形为IGBT集电极电流IC波形，上方的波形为IGBT栅极-发射极电压UGE波形，中间的波形为IGBT集电极-发射极电压波形UCE.因3 s的周期内只有1 ms导通，导通区间很小，将采集到的数据导入MATLAB中，对导通部分进行放大显示，如图5所示.由图4、5可知，该实验平台实现了过流冲击的实验要求.

图4　LabVIEW采集的三通道波形图Fig.4　The threechannel waveform of LabVIEW acquisition

图5　MATLAB中显示出的三通道波形导通区间局部放大图Fig.5　Partial enlargement of onstate interval in threechannel waveform in MATLAB

4.2处理结果

为更好地将提出的退化指标——导通电阻Ron与其他电气量的变化进行对比参照，截取出3个电气量UCE、UGE和IC每个周期中完全导通部分，对其取均方根值，作为该次过流冲击下的电气表征量Uce、Uge和Ic，计算式为：

式中：uon为IGBT集电极-发射极电压UCE的导通区间部分；ugon为IGBT栅极-发射极电压UGE的导通区间部分；ion为IGBT集电极电流IC的导通区间部分.uon、ugon、ion分别如图6中椭圆框内所示部分.

图6　电压、栅压和电流导通部分示意图Fig.6　Schematic for onstate interval of voltage，gate voltage and current

通过DSP的控制，使IGBT承受重复的过流冲击而性能退化，对其进行足够多次的过流冲击后，对采集到的数据进行上述处理，得到3个电气表征量和退化特征量随冲击次数变化图如图7所示.由图可见，栅压Uge与实际应用中一致，保持基本不变；集电极-发射极电压Uce呈上升趋势；集电极电流Ic呈下降趋势；导通电阻Ron呈上升趋势，比其他电气量的变化更明显.

图7　过流冲击过程中各电气参数及退化指标变化图Fig.7　Change of terminal electrical parameters and aging indictor during the process of overcurrent experiments

5　结　语

功率变流器实际应用中，功率器件IGBT因承受长期的过流冲击而性能退化，最终导致累积失效.本文研究了在重复过流冲击下IGBT的性能退化，搭建IGBT过流冲击实验平台，采集UCE、UGE和IC3个电气量，并进行相应的数据处理.研究发现，随过流冲击次数的增多，IGBT导通时的集射电压增大，集电极电流减小，表明过流冲击确实对IGBT造成了累积损伤，并使其工作性能退化.提出的退化指标——导通电阻Ron比其他电气量有比较明显的增大趋势，可直接表征IGBT内部损伤的程度.

然而，实际应用中，导通电阻Ron会受栅压、工作温度和工作点的影响.若想将导通电阻Ron这一指标运用在IGBT的性能退化在线监测中，还需进一步研究.

［1］Yang S，Bryant A，Mawby P，et al.An industrybased survey of reliability in power electronic converters［J］.Industry Applications，IEEE Transactions on，2011，47（3）：1441-1451.

［2］周雒维，吴军科，杜雄，等.功率变流器的可靠性研究现状及展望［J］.电源学报，2013（1）：1-15.

［3］Sonnenfeld G，Goebel K，Celaya J R.An agile accelerated aging，characterization and scenario simulation system for gate controlled power transistors［C］／／AUTOTESTCON，2008 IEEE.Salt Lake City，UT：IEEE，2008：208-215.

［4］Buh G H，Chung H J，Kuk Y.Real-time evolution of trapped charge in a SiO2layer：an electrostatic force microscopy study［J］.Applied Physics Letters，2001，79（13）：2010-2012.

［5］Lefebvre S，Khatir Z，Saint-Eve F.Experimental behavior of single-chip IGBT and COOLMOS devices under repetitive short-circuit conditions［J］.Electron Devices，IEEE Transactions on，2005，52（2）：276-283.

［6］Arab M，Lefebvre S，Khatir Z，et al.Experimental investigations of trench field stop IGBT under repetitive short-circuits operations［C］／／Power Electronics Specialists Conference，2008.Rhodes，Greece： lation and controller reconfiguration［C］／／Proceedings of the 2006 American Control Conference.Minneapolis，MN：IEEE，2006：5115-5122.

［7］Pietranico S，Lefebvre S，Pommier S，et al.A study of the effect of degradation of the aluminium metallization layer in the case of power semiconductor devices［J］.Microelectronics Reliability，2011，51 （9）：1824-1829.

［8］黎振浩.变频器过流故障原因分析及处理方法［J］.中国新技术新产品，2013（12）：173-174.

［9］Linder S，肖曦，李虹.功率半导体——器件与应用［M］.1版.北京：机械工业出版社，2009.

［10］Berkani M，Lefebvre S，Khatir Z.Saturation current and on-resistance correlation during During repetitive short-circuit conditions on SiC JFET transistors［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28 （2）：621-624.

（编辑吕丹）

Performance Degradation Research on lGBT under Repetitive OverCurrent Conditions

LIU Dan，XU Zhengguo
（State Key Laboratory of Industrial Control Technology，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

In the practical application，over-current conditions often emerge during the operation of power converters.The repetition of over-current conditions is responsible for the performance degradation and cumulative damage of power devices（IGBTs），which eventually leads to a failure.Since sudden failures will cause safety issues and economic losses，it is necessary to investigate the performance degradation of IGBT under repetitive over-current conditions and establish the corresponding on-line monitoring approaches.However，the research about performance degradation of IGBT under repetitive over-current conditions is insufficient.An experimental platform was presented，with which a series of repetitive overcurrent experiments had been completed.In the meantime，terminal electrical characteristics of IGBT were acquired to extract a new aging indicator，on resistance.The experimental results showed that the performance of IGBT degraded under repetitive over-current conditions，which affected the terminal electrical characteristics of IGBT.And the proposed aging indictor，on resistance，evidently showed the degree of accumulative damage in IGBT.

insulated gate bipolar transistors（IGBT）；over-current；degradation；on resistance

TN 77

A

1671-7333（2015）03-0232-04

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.03.005

2015-01-14

国家自然科学基金资助项目（61473254，61134001）；国家高技术研究发展计划资助项目（2012AA06A404）

刘丹（1991-），女，硕士生，主要研究方向为IGBT的故障诊断和故障预测.E-mail：21332085＠zju.edu.cn

徐正国（1979-），男，副教授，博士生导师，主要研究方向为控制系统可靠性分析、故障诊断与预测.E-mail：xzg＠zju.edu.cn