Buck电路IGBT老化失效的特征分析

姜志鹏 阎浩 杨娟

摘 要： 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）常被应用于汽车、火车的电机控制系统以及航空航天设备的开关电源中。IGBT的失效会导致系统的效率下降，严重的会直接导致系统失效。通过识别和监测IGBT失效所导致电路特性参数的变化可以做到对其失效的预测和避免。为研究IGBT老化是否会对电路输出特性造成影响，以Buck电路为研究对象，设计了大电流下便于替换IGBT的Buck电路，对IGBT进行热应力老化实验，获取老化后的IGBT，并将老化后的IGBT引入到设计的Buck中，实验分析了IGBT老化对于Buck电路输出电压的影响。得出IGBT的老化会导致Buck电路输出电压平均值增大、高频杂波幅值增大的结论，为进一步实现电路中IGBT老化的检测以及初期的故障诊断提供了可供提取的特征参数。

关键词： IGBT； Buck电路； 老化失效； 特征分析

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 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是一种集功率场效应管（MOSFET）和双极型功率晶体管（BJT）于一身的复合器件，具有驱动电路简单、驱动功率小、开关损耗低、工作频率高、可承受高电压和大电流、通态压降小、热稳定性好等优点。作为电能变换装置的核心部件，是一种可靠性高、寿命长的电力电子器件，其寿命（开关次数）可达106次[1]。因此IGBT被广泛地应用于现代电气设备中。其中以DC/DC变换器为基础的开关电源，是IGBT在电力电子设备中的典型应用。现有文献资料对DC/DC变换器的研究多集中在功率因数校正、新型控制方式的探讨和变换器输出本质安全要求的参数优化设计等方面，但有关开关电源可靠性方面研究很少[2]。然而，在DC/DC电路中，IGBT重复开通或关断，在热冲击的反复作用下会产生失效或疲劳效应，其工作寿命与可靠性将影响到整个装置或系统的正常运行，因此对DC/DC电路进行状态监测评估与故障诊断，提高其可靠性分析是一个亟待解决的问题。本文以Buck电路为研究对象，通过研究IGBT老化机理，分析其老化对电路外部特性的影响，对Buck电路输出电压的影响进行了实验分析。

1 IGBT老化机理

IGBT最常见的老化机理是由封装材料受热机械应力所产生的[3]。主要原因是芯片和封装中不同材料之间的热膨胀系数（CTE）不同，或者温度在一定范围内波动。这两种原因均属于热机械疲劳，会导致IGBT出现键合线脱落和焊料层疲劳两种老化现象[4]。

键合线老化主要是由键合线连接处裂缝扩张造成的[5]。当芯片受到较大温度变化时，由于铝和硅两种材料之间CTE的较大差异，将导致键合线连接处裂缝受热机应力而扩张，最终导致键合线脱落，其直接后果就是电气断路。

焊料层疲劳出现在基板与各层材料之间[6]。焊料层疲劳与焊料初始的微结构、基板的金属化程度以及内部的金属化合物有关，尽管其主要机理是蠕性形变。焊料层疲劳可以通过对热阻值的变化进行测量判定。目前已经用于检测焊料层疲劳的一个标准是热阻增大20%。

除去以上与封装老化的机理外，热载流子注入是一种典型的芯片相关的老化机理。在高温工作下，当载流子获得超出晶格势垒的能量时，热载流子可以被注入栅极氧化层或者其他的接口。热载流子注入会导致IGBT的外部特性，如阈值电压、跨导、漏电流发生变化，并最终导致器件失效。

2 Buck实验电路

2.1 主电路IGBT的接入方式

选择Buck电路作为IGBT老化故障注入的实验电路的原因在于，Buck电路主电路相对简单，除去开关管之外的其他器件较少，半导体器件仅有IGBT和续流二极管，IGBT以外的参数变化容易控制。

考虑到需要在后续的故障注入中频繁更换IGBT，因此需要将IGBT设计为易更换的接入方式，同时考虑到流经IGBT集电极和发射极两端的电流相对较大，因此不适合采用芯片座和排母之类的连接方式。这里给出一种贴片式的连接方式，即将IGBT以贴片的方式从电路板侧方平行焊接到PCB板的焊盘上，这样即解决了大电流工况下IGBT的更换问题，同时也方便了散热片的安装。IGBT设计为易于替换的优点在于，可以将IGBT单独进行老化实验，而不影响电路上其他器件性能的变化。主电路上的测试端子采用香蕉插座，配合香蕉插头，可以直接对关键点的信号进行测量。

2.2 驱动电路

脉冲发生电路如图1所示，采用UC3875N作为脉冲发生芯片，UC3875N的输出为两路反相的脉冲方波信号，送往如图2所示的互补放大电路，经变压器隔离，最终输出为IGBT的驱动信号。驱动信号波形如图3所示。

3 IGBT老化对Buck电路的影响

IGBT的老化采用外部温度变化的方式，通过设定IGBT的工作温度范围为30～100 ℃，令IGBT的壳温在上下阈值温度范围内反复变化，直到饱和导通压降VCE达到所设定失效临界点，则停止老化实验，最终获得老化后的IGBT[7]。

图4给出了Buck电路输出电压的对比。其中蓝色曲线的为IGBT老化前的输出电压波形，红色、黄色和绿色的曲线分别为IGBT老化后的输出电压波形。根据图4可以看出，IGBT老化后所测得的几组波形差异不大，基本重合，而老化后与老化前的差异较为明显。在输出电压幅值上，老化后的输出电压平均值经计算为7.000 1 V，老化前的输出电压平均值为6.757 8 V，差异在0.25 V左右，比较明显。其原因是随着焊料层老化加深，热阻逐渐增大，致使内部结温升高，载流子迁移率增大，于是PN结等效电阻减小，IGBT导通电阻减小，则导致了输出电压的增大。根据图4可以直观看出IGBT老化前后，输出电压的纹波频率也发生了改变。

Buck电路输出电压的频谱对比如图5所示。根据图5可以发现在高频段，IGBT老化后输出电压频谱的幅值相对于老化前，整体上发生了偏移，高频幅值在老化后明显增大，150 kHz～30 MHz范围内为传导EMI的频谱范围，传导EMI主要由电路本身的寄生电感和寄生电容产生，传导EMI的增大，说明老化后IGBT其相应寄生参数发生了改变。

图6和图7给出了同一时间测量的多组IGBT未老化的Buck电路输出电压及其频谱，可以看出未老化的情况下输出电压时域波形和频谱具有良好的一致性，排除了老化前后差异的偶然性原因。

图8给出了在1.5 MHz附近的频谱图。根据图8可以看出，在1.5 MHz附近，老化后的频谱幅值在原有基础上出现了明显的增大，且部分尖峰出现的频点出现了一定程度的偏移。该频率处老化前就存在频谱尖峰，说明老化前的IGBT存在相应的寄生参数，老化导致了这些参数发生了变化，于是出现了幅值的增大和尖峰频率的偏移。

图9给出了在3.8 MHz附近的频谱图。根据图9可以看出，在3.8 MHz附近，老化前并未出现尖峰的频点在老化后出现了幅值大幅增大的现象，说明IGBT老化后，某些可以忽略不计的寄生参数增大了，导致老化前没有较大幅值的频点出现了幅值较大的EMI。

电路的仿真结果如图10所示。仿真过程采用Saber软件的扫描工具（vary），分别设置了老化影响的相关参数，如沟道电阻、热阻、跨导系数等，以各自设定步长扫描变化，最终得到老化过程中各参数变化对Buck电路输出的影响。图10中，从上到下依次为输出电压幅频波形、输出电压相频波形以及输出电压时域波形。仿真结果与实测结果变化趋势相符，输出电压随着老化的加深而逐渐增大，高频信号幅值也随着老化而增大。

4 结 论

本文首先对IGBT的老化进行了分析，并对其进行了热应力老化实验以获取老化的IGBT，给出了IGBT经热机械应力老化后，对Buck电路输出电压的影响效果。仿真和实验结果显示，随着IGBT的老化，自身材料和结构的变化以及热阻的增加，导致其导通压降下降，并且内部杂散寄生参数开始增大。其结果反映在Buck电路中则是输出电压幅值平均值增大，高频信号幅值整体上升，部分谐振频点发生偏移，高频性能下降。实验证明，IGBT老化会对电路输出特性产生较为明显的影响，因此可以通过Buck电路的输出特性，如输出电压幅值和EMI幅值来判断IGBT的老化。

由于缺少对于IGBT杂散寄生参数分析计算的方法和工具，本文没能进一步给出具体影响高频信号改变的参数。但IGBT老化对于输出特性影响的测量与分析，为进一步实现电路中IGBT老化和初期故障诊断提供了可供提取的特征参数。

参考文献

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