IGBT失效模式詳細分析-KIA MOS管

IGBT失效詳解

失效模式

根據失效的部位不同，可將IGBT失效分為芯片失效和封裝失效兩類。引發IGBT芯片失效的原因有很多，如電源或負載波動、驅動或控制電路故障、散熱裝置故障、線路短路等，但最終的失效都可歸結為電擊穿和熱擊穿兩種，其中電擊穿失效的本質也是溫度過高的熱擊穿失效。

目前對IGBT芯片失效的研究主要集中在對引起失效的各種外部因素，如過電壓、過電流、過溫等進行分析上，而對失效的內部機理及過程仍缺乏深入的研究。

（1）過壓失效

母線電壓、變壓器反射電壓以及漏極尖峰電壓等疊加，當漏源極承受最大單次脈沖能量超過其單脈沖雪崩能量 EAS 或多次脈沖能量超過其重復雪崩能量 EAR 時發生漏源雪蹦；

或者柵極產生尖峰電壓，柵極是模塊最薄弱的地方，在任何條件下，其接入的電壓必須在小于柵極電壓 VGS，否則引起擊穿，導致 IGBT 失效 。整車上會觸發電機控制器電壓故障，嚴重者會反沖擊電池包，引起電池管理系統報故障。

（2）過流失效

異常大的電流和電壓同時疊加，造成瞬態發熱，導致 IGBT 失效。漏源標稱電流如果偏小，在設計降額不充裕的系統中可能會引起電流擊穿的風險；

如果漏源最大脈沖電流 IDM、最大連續續流電流 IS、最大脈沖續流電流 ISM 偏小，系統發生過流或過載情況，同樣會發生電流擊穿風險 。整車上可能會觸發電機控制器報電流故障，嚴重者會引起電池包內部熔斷器熔斷或繼電器粘連。

（3）過溫失效

三相橋臂門極開關瞬態開通不一致，極限情況下引起單管承受所有相電流；或者MOS 管內阻及功率回路抗擾差異，導致穩態不均流；以及晶元與 leadframe、leadframe與 PCB 銅箔之間存在空洞，局部溫升高，引起 IGBT 模塊溫度過高，發生過溫失效。

發生過溫失效的直接原因是溫升超過結溫 TSTG 及貯存溫度 TJ，如果系統設計時把模塊的結到封裝的熱阻 Rthjc、封裝到散熱片的熱阻 Rthcs以及結到空氣的熱阻 Rthja 設計越小，系統散熱越快；

或者導通電阻 RDS（ON）值越小，工作時損耗越小，溫升越慢，發生過溫失效的幾率就會越小。整車上可能會觸發電機控制器過溫保護，嚴重者會引起溫度傳感器燒毀。

1.熱失效

IGBT熱失效的原因有多種，比如散熱裝置不良、電流過大、浪涌電流沖擊、短路電流沖擊等，各種原因造成的IGBT熱失效機理和失效模式并不相同。

浪涌電流沖擊和短路電流沖擊是由于電流沖擊產生的熱量使芯片發生瞬時熱過載，局部結溫快速上升并達到絲化溫度Tf而發生失效，通常由一個或若干個沖擊周期內功耗引起的結溫升與絲化溫度的關系決定；

散熱不良和電流過大是由于產生的熱量不能被完全散發出去而在內部形成熱量累積使芯片溫度持續上升，最終也是局部到達絲化溫度Tf時發生失效，通常由連續周期內產生的功耗與耗散的功耗決定。

本文以散熱不良和電流過大的熱失效作為分析對象，從熱平衡角度得到IGBT極限功耗以及熱失效機理。

單個IGBT芯片是由數以千計的元胞并聯而成的，這些元胞具有共同的P+發射區和N-基區，但各自的柵極與P+集電區均相互獨立。

圖1中點劃線框內為穿通（PT）或場終止（FS）平面柵型IGBT的一個元胞結構，非穿通（NPT）型IGBT去掉了圖中的N+緩沖層或場終止層，溝槽柵型將IGBT柵極垂直向下延伸到N-基區。

由IGBT工作機理可知，其開關和導通過程是通過載流子在基區不斷的運動與復合形成的電子、空穴電流，產生的熱量主要在J2結的N-外延層，即IGBT的有源基區。

在實際的反向PN結曲線中，由于空間電荷區的產生電流和表面漏電流的影響，反向電流會隨著反向電壓的增大而略有增大，表現出不飽和特性，且反向電流會隨著溫度的上升呈指數特征增加。

當PN結反向偏壓增加時，反向電流引起的熱損耗導致結溫上升，結溫的升高又導致反向電流增大，如果冷卻裝置不能及時將熱量傳遞出去，結溫上升和反向電流的增加將會交替循環下去，最終PN結發生擊穿，這種擊穿是由熱效應引起，稱為熱擊穿。

同樣的原理，IGBT熱失效機理也可從產生的熱量與所能耗散的熱量間的熱平衡關系來進行分析。

如果Pheat是IGBT產生的功率損耗，Pcool是可以通過封裝和散熱器最大限度的功率耗散，則IGBT發生熱擊穿條件的表達式為：

如果該條件在一個固定的工作點上實施，結溫會以指數規律快速升高，導致IGBT發生熱擊穿。

1）IGBT極限功耗由IGBT功耗的溫度曲線與結-殼穩態傳熱功耗的溫度曲線相切時的切點，即臨界點對應的功耗得到，由此可對IGBT電氣參數進行合理優化設計。

2）IGBT可在結溫穩定點附近保持熱平衡狀態，一旦到達非穩定點，IGBT結溫和功耗會形成正反饋導致結溫持續上升，直至發生熱擊穿失效。

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