IGBT电压击穿特性分析

汪 波 胡 安 唐 勇 陈 明

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室 武汉 430033）

1 引言

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种综合了功率场效应晶体管（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）结构的复合器件，并且同时吸收了二者的优点[1]，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动功率小、饱和压降低、控制电路简单和承受电流大等特性，在各种电力电子变换装置中得到了广泛的应用。自1986年投入市场后，IGBT迅速扩展应用领域，成为中、大功率电力电子装置的主导器件，不仅应用于电力系统，而且也广泛应用于一般工业、交通运输、通信系统、计算机系统和新能源系统。新一代沟槽栅场终止型 IGBT综合了前几代产品的优点并采用最新的功率半导体制造工艺[2]，在前几代结构基础上增加了一个重掺杂的场终止层，提高了正向阻断能力，得到了广泛的应用。

长期以来 IGBT的应用选型一般还是采用经验的粗放式设计方法，难以做到优化，往往留有过大的裕量，受到器件功率水平的限制，这种方法在大容量的电力电子变换装置中会导致器件的串、并联，其结果是器件的数目非常庞大，实现的复杂程度和难度非常高，而且体积、重量和可靠性难以满足军用移动作战平台的要求。导致这种状况的原因一方面是由于对 IGBT内部机理的研究不够深入，对所能承受的实际电压值难以做到准确的计算，另一方面是由于对电压击穿的失效机理和失效模式理解不够。

IGBT的过电压击穿失效是工程应用中最常见的失效机理之一，由于电网波动、负载突变、电路故障以及电磁干扰的影响，尤其是在电力电子装置中线路和器件内部分布杂散电感的存在，开关时会感应一个电压尖峰叠加在母线电压上，引起过电压击穿。通常认为一旦超过其额定电压就会引起过电压击穿，导致发生不可逆的失效，这种认识误区源于对 IGBT发生过电压时的工作特性和过电压击穿失效机理认识不足。国外对 IGBT击穿电压的计算推导以及发生电压击穿时的特性研究开展较早[3-6]，主要基于半导体物理知识研究 IGBT内部反偏 PN结的雪崩电压击穿特性，且集中在 IGBT的发展早期，后期的研究热点集中在结温探测、电热模型、寿命及可靠性评估，而对开关过程中的过电压击穿特性和失效机理分析很少涉及；国内由于不具备大功率 IGBT芯片的研发和制造能力，还停留在封装测试阶段，一般研究器件的驱动保护较多，仅有少量的文献和专著涉及到雪崩电压击穿和过电压击穿失效分析[7-9]。

本文基于 IGBT结构和 PN结雪崩电压击穿原理，分析了场终止型 IGBT雪崩击穿电压的计算公式，并考虑温度的影响，测量了在不同温度时的雪崩击穿电压值。分析了关断时由于电压尖峰过大引起 IGBT过电压击穿时的电压、电流特性，以及抑制电压尖峰的方法。从热平衡和能量与结温升的角度分析了 IGBT过电压击穿的失效机理和失效模式，最后通过实验验证了 IGBT在不同电压、电流条件下所能承受的短时过电压击穿能力。

2 IGBT雪崩电压击穿特性

2.1 IGBT雪崩击穿分析

沟槽栅场终止型IGBT的结构如图1所示，可以看成是由MOSFET驱动的BJT。在IGBT处于正向阻断状态时，集电极电压为正，发射极电压为负，栅极电压为零或负，J1结正偏，J2结反偏以承受外部高阻断电压。在N-宽基区和P+发射极之间加入了一层重掺杂的 N+层，也称为场终止层，可以有效阻止J2结的耗尽层穿通N-基区而延伸到P+底发射极，由于生产工艺的不同，场终止层在厚度、掺杂浓度上与穿通型 IGBT的缓冲层都有很大的不同。

图1 沟槽栅场终止型IGBT结构Fig.1 Field-stop trench gate structure of IGBT

当IGBT承受外部阻断电压很高时，内部J2结的空间电荷区电场随着反偏压的升高而增强到某一临界值，点阵原子的电离直接成为少数载流子的抽取源而使反向电流急剧升高，从而产生大量的额外电子和空穴。当空间电荷区中的最大电场强度超过这一临界值时，在反偏电压驱动下从中性区边界漂移进来的载流子受电场加速获得很高的动能，这些高能量的载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞时使之电离，产生新的电子-空穴对。新生的电子-空穴对立即被强电场分开并沿相反方向加速，进而获得足够动能使另外的点阵原子电离，产生更多的电子-空穴对，载流子在空间电荷区倍增下去，反向电流迅速增大，发生雪崩击穿，直至 PN结损坏。这个使得PN结电场增强到临界值的外部电压称为IGBT的雪崩击穿电压。

2.2 雪崩击穿电压计算

IGBT处于正向阻断状态时，随着电压的逐渐增大，承受阻断电压的J2结耗尽层不断向轻掺杂侧N-基区展宽，耗尽层内电场不断增强。由于 IGBT是一种复合结构器件，内部PNP晶体管的放大作用会导致J2结的雪崩击穿电压降低，而场终止型结构的N+层可以减小内部晶体管的放大倍数，对提高器件的击穿电压有利。场终止型 IGBT的雪崩击穿电压值可表示为

式中，VA是IGBT雪崩击穿电压；VB是共基击穿电压；α是共基电流放大倍数；W是基区厚度；Wd是基区耗尽层宽度；D和τ分别为载流子扩散系数和寿命；NB是基区掺杂浓度；εSi和ε0分别为硅的介电常数和真空电容率；n为系数，对P+N结为6，对 PN+结为 4。

由式（1）可以看出，IGBT的雪崩击穿电压主要与宽基区的掺杂浓度和载流子寿命有关，通过提取基区掺杂浓度[10]和载流子寿命[11]代入方程可以计算出IGBT的雪崩击穿电压值。

考虑到温度的影响，有

从上式可以看出，IGBT的雪崩击穿电压随着温度的升高而上升。

2.3 雪崩击穿电压测量

在 IGBT输出特性曲线的截止区，即栅极电压小于阈值电压时，集电极电流几乎不随集-射极电压的增加而变化，但是当集-射极电压到达雪崩击穿电压时，电流就会迅速上升。一般取栅极电压为零时，通过监测集电极漏电流的变化可以测量 IGBT雪崩击穿电压值。

图2 IGBT输出特性曲线Fig.2 Output characteristic of IGBT

选取两种型号分别为 FS15R06VE3和GD50HFL120C1S的 IGBT，其额定电压值分别为600V和1200V，通过底板温控改变IGBT结温，测量在不同温度下的雪崩击穿电压值，结果如表所示。

表 不同温度下的雪崩击穿电压Tab. Avalanche breakdown voltage under different temperatures

可以看出，IGBT雪崩击穿电压值会高于额定电压值，且具有正温度系数，约为0.7V/℃。

3 IGBT过电压击穿及抑制

3.1 IGBT过电压击穿

由于负载、线路和器件内部分布电感的存在，关断时电流的快速变化会感生一个电压尖峰叠加在母线电压上，另外工作过程中电网波动、负载突变、外部电磁干扰的影响也可能出现瞬时过电压。IGBT发生过电压击穿时的电压、电流波形如图3所示，其中 IGBT型号为 FS15R06VE3，开关模式采用双脉冲。

图3 IGBT过电压击穿波形Fig.3 Over-voltage breakdown waveforms of IGBT

从图3中可以看出，关断时产生的感应电压叠加在母线电压上，使得电压尖峰超过了IGBT的雪崩击穿电压值，发生了电压击穿。此时虽然栅极已经关断，内部 MOSFET导电沟道消失，集电极电流迅速下降，但是雪崩电压击穿产生的漏电流使得集电极电流并不是迅速下降到零，而是在击穿期间慢慢下降，一直持续到雪崩电压击穿结束，电流下降到零，IGBT才完全表现为关断。在发生电压击穿期间，IGBT集-射极两端电压被钳位在雪崩击穿电压值，持续时间大约为 10μs，而在不发生电压击穿时IGBT关断时间通常只有100多纳秒。当雪崩击穿过程结束，IGBT又恢复其阻断功能，在下一脉冲到来时，仍能够正常开关工作，而没有发生破坏性失效。这说明IGBT发生过电压击穿时，雪崩电压击穿本身不会损坏器件，是个可恢复性过程。

3.2 IGBT电压尖峰抑制

由于电力电子变换装置线路和器件内部呈现感性，关断时总会有电压尖峰，完全消除杂散电感是不可能的，但是可以最大限度地减小线路寄生杂散电感，一般通过缩小整个电路的有效回路面积来实现，比较有效的方法是采用分层布线结构，或使用连接母排，可最大限度地减小线路储能，在给定的关断速度下，电压尖峰将会大大降低。另外采用适当增大栅极驱动电阻也可抑制过电压尖峰，但会增加器件的功率损耗，应该看到IGBT发生过电压击穿时的功率损耗远大于增加的开关损耗，对于电压尖峰接近或小幅超过雪崩击穿电压的情形下仍不失为一种过电压抑制的方法。另外，半导体功率器件 IGBT对温度极为敏感，随着温度的上升，过剩载流子寿命增大，从而导致关断时电流下降过程变缓，关断时间延长，电压尖峰相应地减小。

对 IGBT关断时电压尖峰与栅极驱动电阻和温度的关系进行了实验，栅极驱动电阻分别选为5.1Ω、12 Ω、56 Ω和 300 Ω，测试得到的关断电压尖峰波形如图 4所示。用底板温控加热设备改变IGBT结温，将温度分别设定在25℃、50℃、75℃、100℃，采用单脉冲模式消除自热的影响，测试得到的关断电压尖峰波形如图5所示。

图4 不同栅极电阻时的尖峰电压Fig.4 Peak voltage under different gate resistance

从图4、图 5中可以看出，增大栅极驱动电阻和温度升高都对关断时的电压尖峰抑制有利。

图5 不同温度时的尖峰电压Fig.5 Peak voltage under different temperatures

4 IGBT过电压击穿失效机理和模式

4.1 失效机理

由以上分析可知，IGBT雪崩电压击穿是个可逆过程，本身不会损坏器件，但是在实际应用中发生过电压击穿后往往会伴随着器件的损坏，而且是不可逆的破坏性失效。为分析过电压击穿的失效机理，采用较大的分布电感以产生较大的电压尖峰引起过电压的实验电路，IGBT型号仍为FS15R06VE3，母线电压取为 400V，脉冲电流为10A，开关频率为 5kHz，占空比为 0.5，采用多脉冲模式，测得IGBT电压、电流波形如图6所示。

图6 IGBT过电压击穿失效波形Fig.6 Over-voltage failure waveform of IGBT

从图6可以看出，IGBT经过13个过电压脉冲周期后失效，失去了开关控制能力，对外表现为短路。

IGBT过电压击穿的失效过程和机理可以从热平衡和能量与温升的角度来进行分析，工作时的功率损耗由导通功耗、开通功耗、关断功耗和断态功耗四部分组成，其中开通功耗和断态功耗所占比例很小可以忽略。由于在关断期间发生了过电压击穿，IGBT的集-射极端电压被钳位在雪崩击穿电压而变得很大，且集电极电流也是缓慢下降到零，产生了很大的功率损耗，在雪崩击穿期间产生的焦耳热为

其中积分区间为发生过电压击穿的时间，对于大功率 IGBT模块，在过电压击穿期间功率损耗可以达到几千瓦，相应地产生的焦耳热也远大于导通时产生的热量。由于 IGBT是个多层密封结构，内部硅芯片工作时消耗电能转化为热量，相当于热源，硅芯片表面覆盖有硅胶，阻止热量向上传递，只能通过与之连接的直接覆铜层（DBC）向下传递，最后通过散热器交换到周围环境中。IGBT击穿时在很短时间内产生的焦耳热，来不及通过底壳向外传递或传递的热量很小，所产生的热量促使结温上升，而且在下一个过电压击穿过程到来时又会产生同样的热量，随着温度的上升，雪崩击穿电压变大导致产生的焦耳热更大，形成热量累积，经过n个脉冲周期后，IGBT产生的总热量为

IGBT过电压击穿产生的总热量一小部分给DBC层加热和通过散热器传递到周围环境中，另一大部分给内部硅芯片加热，促使结温升高，结温变化关系可表示为

式中，Qh为给 DBC层加热的热量，Qs为散热器带走的热量，在毫秒级期间向外传递的热量很少。

随着温度的不断升高，IGBT内部PN结的局部电流密度会增大，电流就被吸取到这个温度最高的区域中去，一旦某一点的温度到达本征温度，局部的载流子产生率就很容易增大几个数量级，于是IGBT内部的PN结就会被一块称为中等离子体的细丝状高电导本征半导体有效旁路，导致 PN结发生不可逆的退化。这种退化与单纯的雪崩击穿是不同的，发生雪崩击穿时温度一直低于本征温度，对PN结并无损坏，而温度升高引起的这种不可逆的退化会损坏 PN结。初始失效对外表现为短路，随着温度的继续升高，中等离子体区的温度可能超过电极接触处金属-硅低共熔合金的熔点，或者超过半导体的熔点，一旦芯片或键丝熔化，最终失效会表现为开路。

另外，IGBT发生过电压击穿且初始失效表现为短路后，在同样的负载条件下，脉冲电流就会变成连续电流，由于在脉冲模式下的电流较大，通常会大于在连续模式下的电流，导致 IGBT承受过电流引起结温的进一步上升，当温度到达键丝或硅芯片的熔点，最终会因为熔化而对外表现为开路。因此，IGBT的过电压击穿失效本质上是由于产生的焦耳热过大引起结温升过高的热击穿失效。

4.2 失效模式

IGBT发生过电压击穿失效后打开封装，去除表面覆盖的硅胶，内部硅芯片表面如图7所示。图7a为失效模式对外表现为短路时的硅芯片表面，也就是初始失效表现为短路后立即停止工作；图 7b为失效模式对外表现为开路时的硅芯片表面，也就是初始失效表现为短路后仍继续通电流直至表现为开路。可以看出短路失效时表面并没有热熔化的痕迹，而开路失效可以明显的观察到表面硅芯片熔化的痕迹。

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

5 实验及分析

对 IGBT在不同电压、电流时的短时过电压击穿承受能力进行了实验验证，IGBT型号为FS15R06VE3。实验条件为：开关频率为5kHz，占空比为0.5，采用连续多脉冲模式，母线电压400V，减小负载电阻将电流提高到15A，增大母线电压到500V，调节负载电阻使电流维持在10A，分别测得IGBT电压、电流波形如图8所示。

从图6和8a可以看出，在同样的电压条件下，增大电流到15A后，IGBT经过3个过压脉冲周期就发生了失效；图8b相比于图6是在同样的电流下，增大母线电压到500V后经过10个脉冲周期发生了失效。对比发现，在电压相同而电流不同的情况下，虽然过压击穿持续时间相差不多，均为10μs左右，但是电流较大时在同样的时间内产生的热量更多，所以能承受的过压脉冲周期更短；而在电流相同时，电压较高会使得过压击穿的持续时间明显增大，从10μs增大到15μs，产生的热量也增加了，所能承受的过压脉冲时间更短。

图8 不同电压、电流时的波形Fig.8 Waveforms of different voltages and currents

以上实验和分析表明，即使 IGBT在关断瞬态时由于电压尖峰过大发生了过电压击穿，只要累积的热量不会造成结温升高到本征失效温度，通过外部动作使 IGBT在失效前能及时退出过电压击穿状态，则 IGBT就不会发生破坏性的失效，也就是说IGBT在一定条件下可以承受短时过电压击穿，在这个时间范围即使发生了过电压仍不会发生破坏性失效。

6 结论

本文分析了 IGBT关断时由于电压尖峰过大引起过电压击穿的电压、电流工作特性，发现过电压击穿失效的本质在于雪崩电压击穿时产生的焦耳热累积引起结温不断上升的热击穿失效，其失效模式初始表现为短路，最终表现为开路。通过实验发现IGBT可以承受短时过电压击穿的能力，只要在发生热击穿失效前能及时退出过电压击穿状态，就不会损坏器件，只有结温升高到本征温度才会发生不可逆的失效。

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