IGBT小电流开通失效研究及结构改进_周东海.pdf

第 卷第期年月电 力电子技术，小电流开通失效研究及结构改进周东海童颜，陈英毅，刘建（？南瑞集团（国 网电力科学研究院）有限公司，江苏南 京；南 瑞联研半导体有限责 任公司，江苏南 京；国网江苏电力有限公司电力科 学研宄院，江苏南 京）摘要：对绝缘栅双极型晶体管（）在 小电流开 关测试 失 效进行了分析研宄，对栅 极和集电极的电压电流波形监测 发现，在 小电流开通时电压电流 波形存在严重的振荡问题，电压幅值超过器件 最 大额定值，导致器件 失效。分 析了芯片电容和栅极电阻对小电流开 通振 荡的影响，通过对芯片结构进行改进，将小电流 振荡 抑 制在安 全值范围内，解决了小电流开通失效问题，改 进 后的器件 性能参数和应用测试温升 接近国外 竞品。关键词：绝缘栅双极型晶体管；开通失 效；结构 改进中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（），）：（）？，：；：（）引言作为 核心元器件，需具有 较 低的导通损耗和 开关损耗，在高频 应用 下，为降低的开关损耗，许多设计厂 商更加 侧重关断 损耗的降低，对开通 设计 有所忽视。的开 通设 计不仅影响开 关功耗，而 且可能造成器件失 效因此的开通设计关乎器件的鲁棒性和可靠性。为此，一些厂商将设计重点放在过流或大电流的设计上，如 降低发射极下 薄层电阻，缩短尺寸、元胞 结构设计等避免寄 生晶体管开启，对开启设 计研宄甚少，且多关注额定电流 或大电流的情况。由于复杂基金 项目：国家电网有限公司总部管理科技项目资助（）定稿日期：作者简介：周东海（），男，工程师，研究方 向 为高压芯片开发。的 系统及特殊的应用环境，常会遭遇到高压小电流运行的异 常工况，而且的启动过程也会经历 小电流过程，而 非直接设 定 到额定工况对应电流和电压。因此小电流工况是不可避免的。对小电流开通时，电极 端电压电流波形进行监测，分析器件失 效炸 管 原因。通过对结 构的改进，将小电流开通时电极的电压电流抑 制在安全范围内，从而避免 器件失 效。小电流开通失效图为器件在 应用平台上机调试过程中失 效图。可见，上桥和下桥芯片均烧毁，发生了直通失效。失效器件在调试阶段，母线电压已达到，电流达到，为 额定电流的。为了查明失 效原因，对进行了双脉冲 开关 测试，测试电路如图所示。下桥为被测，上桥的门极和射极短路，测试过程中会监测上桥门极和集电极波形。小电流 开通失效研究及结 构改进（格）图小电流下开通波形振荡 幅值 超过或击穿电压，可能引起二者的击穿失效；集射 极两端的高电压变化 率（？）变 化，通 过寄生电容耦 合到栅 极，引起栅极的剧烈振荡，如超 过阈值电压，可能 导致关闭的被开启。通过开通测试波形发现，小电流下的开通速度较额定电流下更快，引起的波形振荡更 为严重。测试过程中，由于较快的开通速度，致使测试过程中 出现严重炸管问题，失效比例很高。结构改进图为发 生小电流失效的芯片结 构（结构）及 两种改进结构 分别命名为结构和结构，改进结构采用了浮空的型掺杂的结构，结构将两个栅 极沟槽用多晶硅直接互连，由于栅 极多晶硅与集电极对应 面积增加，密勒电容增大，开 通速度降低；结 构的互连多晶硅下方增加了厚氧化层，有 所降低，但同时设 计了内置栅极电阻，对开通速度进行优化。表为不同结构的电容对比。图芯片结构表不同结构电容对比 测试型号￥结构结 构 结构图为 结 构在？，小电流（，外置栅极电阻（下的开通测试波形尖峰为，尖 峰为丫，己控制在击穿值以下，振荡 虽不会造成栅极击穿，但可能造成上桥误开启造成直通失 效。（）测 上桥（）监 测 上桥图结构小 电流开通波形 将栅极外置驱动电阻由增 加，进一步降低开通速度，最高为，最高为，如图所示，通过增 加栅极外 置驱动电阻，结 构的和仏均 被限 制在 安全电压范围内，避免了上桥误开启的可能。通过 增 加栅 极驱动电阻，结 构的小电流开通振荡被 抑制在安全范围内，但也同时 增加了开通损耗（格）图额定电流下开 通波形 由于 失 效 发 生 在上机调试阶段，该 阶 段器件的集电极电流较小，为此进行了小电流下的开通测试，如图所示。测试发现小电流下器件集电极电流波形振荡更加明显，瞬 时 最高达，远高于额定电流下的，上桥集射 极电压胃达到，超过器件 集 射极间最 大额定电压值。（）应用 失效图（）测试电路图器件应用失 效图及 测 试电路 对器件在额定电流下进行双脉冲测试，图为开通波形。测试母线电压，集电极电流，测试发现开通波 形存在严重振荡。下桥集电极电流在反并联 反向恢复的拖尾阶段存在额外两个电流峰，同时下桥门射极电压和上桥门射极电压均 存在振荡，瞬 时峰 值电压达，易造 成门极 损坏或开启，失效风险 高。）（李（在？宏）？第卷第期年月电力 电子技术，￥（）（格）（）监测上桥，（格）（）监测上桥？图结构？的小电流 开 通波 形 （）开 通波形 对比 （）关断波形 对比图改进后与英飞凌产品开关 波 形 图为结构小电流开通测试波形。可知，最高电压为，最高电压为，优化后的很好地抑制了小电流下的波 形振荡。！￥（格）（格）（）监测上桥丨（）监测上桥丨 图结构小电流 开通波形 图为在，（下的开通 和关断测试波形。结构内置了栅极电阻，与增 加（栅极驱动电阻的结构相比，结构开通速度 更快，与未 加驱动电阻的结 构开通速度 相近。结构的关断 电流变化率山和出与未 加驱动电阻的结 构相近。将传 统结构、改进结构与英飞凌产品性能参数进行 对比，见表，为抑制小电流下的开通振荡，结 构减慢了开通 速 度，导致开通损耗增 加。与英飞凌产品相比，结构关断损耗高，但通态压降相比低左右，图为改进后 产品与英飞凌产品在额定 电流下开关测试波形。￥（开通波 形构？举？“卜结 构？；结构 （）关 断波形应用实验产品应用在氩弧焊焊 机上，采用电阻柜档位作 为负载，实验 采用个半桥模块组成全桥开关拓 扑结构。图为环境温度：下的焊机上机 应用温升对比，英飞凌 产品最高温度为结 构产品最 高温度为比英飞凌产品高而结 构产品在时最 高温度达到焊 机进入保护。图电焊机上机应用温升 结论对器件在小电流开通测试下的失效原因进行了研究，发现小电流下的开通波 形存在 严 重振荡。门极电压的振荡幅值超过门极阈值电压或栅极耐压，可能导致关 断的被开启或栅氧 被 击穿损坏；集电极电压的振荡超过间击穿电压，导致器件击穿 损坏。从调整芯片电容和栅极电阻入手分析其 对小电流开通振荡的抑制作用，通过 对芯片结 构进行改进，最终在小电流测试下，栅极和集电极的端电压被 抑制在安全范围内；性能及 上机平台测试表明，改进后的产品性能接近国外竞品。图丨开关波形表性能 参数 对比 结构 结 构 竞品 参考文献杨光，忻力，马伯乐，等一种大功率 变流器模块在小电流下的失效研究大功率电流技术，（）：？，？功率半导体器件与应用肖曦，译版北京：机械工业出版社，