IGBT动态过电压失效的研究论文.pdf

i g b t动态过电压失效的研究 郑翔 ， 关艳 霞， 潘福泉 ( 沈阳工业大学信息科学与工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 7 0 ) 摘要 ： 绝缘栅型双极晶体管( i g b t ) 过电压击穿是一种常见的失效形式。由于电路 中存在杂散 电感 ， 关断时会产生瞬间的高电压而引起动态雪崩击穿。通常误认为发生雪崩击穿是造成 i g b t 过压失效 的根本原因。 针对此问题， 基于i g b t基本结构和 p n结雪崩击穿原理， 利用s i l v a c o 软件仿真 i g b t正 向阻断以及关断瞬态时的电流密度分布，并从能量的角度深入分析得出过电压击穿的本质是结温过 高引起的热失效， 并从理论上给出了几种改进措施， 为i g b t的正确使用与工艺改进提供理论参考。 关键词： 绝缘栅型双极晶体管； 动态雪崩击穿； 热失效 abs t r a c t： t r a ns i s t o r s t u d y o n dy n a mi c ov e r - v o l t a g e fa i l u r e o f i gbt z heng xi a n g， guan ya n - x i a ， p an f u q u a n ov e r - v o l t a g e f a i l u r e i s o n e o f t h e c o mmo n f a i l u r e me c h a n i s ms t o i n s u l a t e d g a t e b i p o l a r ( i g b t ) a s d i s t r i b u t i n g i n d u c t i o n e x i s t i n g i n t h e c i r c u i t a n d a p e a k v o l t a g e b r o u g h t t o i g b t d u r i n g s wi t c h i n g t r a n s i e n t ， c a u s i n g a v a l a n c h e b r e a k d o wn mi s t a k e n l y t h i n k i n g o f t h a t a h i g h i n d u c t e d p e a k v o l t a g e i s t a k e n o n ， o v e r v o h a g e b r e a k d o wn c o u l d b r i n g t o i gb t ai me d t o t h i s i d e a l ， b a s e d o n t h e s t r u c t u r e o f i g b t a n d p r i n c i p l e o f p n j u n c t i o n a v a l a n c h e b r e a k d o w n ， u s e t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n s o f t wa r e o f s i l v a c o t o s t u d y t h e c u r r e n t d e n s i t y d i s t r i b u t i o n o f f o r w a r d b l o c k i n g a n d s w i t c h i n g t r a n s i e n t o f i g bt i f o u n d t h a t t h e e s s e n c e i n o v e r - v o l t a g e b r e a k d o w n f a i l u r e wa s t h e r ma l f a i l u r e i n d u c e d b y c u mu l a t e d h e a t i n d u c i n g j u n c t i o n t e m p e r a t u r e r i s e t h r o u g h t h e v i e w o f e n e r g y ， a n d p u t f o r w a r d s e v e r a l i mp r o v e me n t me a s u r e s i n t h e o r y， i n o r d e r t o i mp r o v e t h e t e c h n o l o g y a n d p r o p e r a p p l i c a t i o n ke y wo r d s ： i gbt； a v a l a n c h e b r e a k d o wn； t h e r ma l f a i l u r e 中图分类号： t n 3 3 5 文献标志码： a 文章编号： 0 2 1 9 - 2 7 1 3 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 4 5 - 0 5 绝缘栅型双极晶体管( i g b t ) 是集 双极晶体管的优点于一身的新型电力半 mo s f e t与 导体器件1 1。 应用领域多涉及高电压、 大功率 、 高频率的感性负 收稿e t 期： 2 0 1 3 - 1 1 2 6 载电路，因此 i g b t 动态过电压是工程应用中常见 的失效方式之一。 i g b t关断瞬态时产生很高的浪涌 电压叠加在母线电压之上。 这个电压尖峰如果超过 其雪崩击穿电压就很容易造成 i g b t发生过电压击 4 5 第1 7 卷第l 2 期 2 0 1 4 年 1 2 月 奄濠箍 石阈 p ow e r s up p l y t ec hnol ogi es and ap p u c at i ons vo 1 1 7 no 1 2 j a n f e b 2 0 1 4 穿陶 。本文基于i g b t结构和 p n结雪崩击穿原理31 ， 利用 s il v a c o 软件对 i g b t正向阻断时的电流密度分 布进行仿真， 从热学角度分析其失效机理 ， 为 i g b t 器件的正确使用和改进提供有价值的参考资料。 1 l gb t过 电压失效理论分析 对 i g b t过电压特性的仿真研究选用一种最普 通的 i g b t模型， 结构如图 1 所示。 器件模型的开启 电压为7 0 v， 静态雪崩击穿电压为9 0 0 v 。结构参 数如表 1 所列( 半个元胞宽度) 。 图 1 i g b t结构图 表 1 9 0 0 v p t i gb t的器件仿真参数 器件参数 掺杂浓度 c m 3 宽度 ix m 厚度， 肌 n + 6 - 源区 9 3 x e 7 0 4 p阱 2 7 x e 1 3 5 8 n 基 区 1 5 x e 2 5 8 8 8 n 缓冲层 l 。0 x e 2 5 1 6 4 p背发射区 1 0 x e 2 5 1 8 6 1 1 静态雪崩击穿 栅极未施加开启电压 ， 集 电极相对发射极 加正 电压， 结构中处于反偏的 p阱和 n 一 基区之间的p n 结反偏承受外加电压，一旦正电压达到该 p n结雪 崩击穿电压就会发生碰撞电离 电离产生的大量载 流子再经过 p n p管电流放大系数的作用使总电流 急剧增大而达到击穿。所以 p n结的击穿电压 46 和电流放大系数是决定 c 、 e间击穿电压 的主 要因素， 他们之间有下面的关系 b ( 1 ) 式中： h 为i g b t中p n p 管的共发射 极电流放大系数； 为与器件结构有关的常数； 曰 为 j ： 结雪崩击穿电压， 主要由n 一 区的掺 杂浓度 d 决定。 对于 n 结构来说， 可表示为 一 孚 口 = 1 l 8 ) ( ) ( 2 ) 1 2 动态雪崩击穿 动态雪崩击穿很大程度上是由外电路决定的。 i g b t通常应用于感性负载电路中， 因此在关断期间 所承受的电压远高于电源电压。在关断过程中仍有 电流流动， 此时集电极电压从低电压上升到高电压 时所发生的击穿称为动态雪崩击穿， 发生动态雪崩 时的电压称为动态雪崩击穿电压。 i g b t的动态雪崩 击穿， 基本原理与 p i n 二极管是相似的5 1 ， 但具体问 题会有些不 同嗣 。如图 2所示 ， 在关断过程 中， 沟道 首先关断， 流经沟道的电子电流消失 ， 所有电流完 全由空穴电流提供。自由空穴密度相当于增加了衬 底的掺杂浓度， 所以电场梯度变陡， 如下式所示 p = ( 3 ) q ：q ( n d + p ) f 4 、 d x 、 阻断电压下降为 一 孚 口 = 1 i 8 ) ( ) ( 5 ) 上述式 中： d + p为有效掺杂浓度 ； 为空穴的电流密度 ； 。为空穴的饱和漂移速度。 当发生动态雪崩击穿时， p n 结附近产生电子空 穴对， 空穴由左侧流出， 电子由右侧流出。动态雪崩 击穿所引起的空穴电流密度的增加有可能导致 i g b t擎住效应的发生。 由右侧流出的电子电流补偿 了空穴电流， 使电场强度增加， 形成 s 形电场 ， 如图 生很大的功率损耗。在整个雪崩击穿期间产生的功 耗 为 r p e = m i d t ( 7 ) j 1 3 一 个脉冲周期内产生的总热量为两者之和 经 过多个周期后 ， 产生的总热量 q 为 9 la i ： = = ( + ( 8 ) i g b t在工作期间产生的热量只有一部分通过 封装层和散热器传到周围环境中， 另外一部分都会 聚集在模块内部形成热量的积累，促使结温升高。 结温变化关系可以表示为 q d q 。 q = at j x n ( 9 ) 式 中： q 为封装层 的散到空气 中的热量 ； q 为散热器驱散的热量 ， 据研究分析 ， 在高频 范围内向外传递的这部分热量很少 ； n 为器件功率循环的周期数； 为结温的变化量 。 随着内部热量的累计 ，促使 j ： 处结温不断升 高。 一旦温度达到 p n结本证温度， 结附近局部载流 子就会以几个数量级 的速度产生 ， 造成 电流密度相 对集 中的正反馈 ， 也就是热积 累的正反馈 ， 直到温 度到达本征温度， 器件短路 ， 之后达到芯片的熔点， 最终会因为局部融化烧损而对外表现为开路。 功率电 源中 i g b t发生电压击穿失效后， 去除表面封装 ， 内部 芯片如图 7所示 。 能够看见明显的融化烧损痕迹。 针对上述失效分析 ， 在工程实践 中可以采取一 定的措施来抑制过电压失效的发生。 ( 1 ) 适当提高 j 结的注入效率或者对缓冲层进 行优化8 1。 ( 2 ) 尽可能选用优质的衬底 晶片和优 良的加工 条件 ， 尽量提高芯片加工以及工艺的均匀性 ， 有效 抑制电流的不均匀移动而造成的局部过热 。 ( 3 )进行特殊和优化的结终端设计 ，以减小 j ： 结边缘处的载流子聚集和电场集中。 4 结束语 图 7 i g b t芯片 内邵烧损 示意 图 i g b t基本结构和 p n结雪崩击穿理论对仿真结果 进行分析 ，得 出了 i g b t过 电压失效 的根本原因是 热失效。最后从能量 的角度分析了 i g b t的击穿机 理 同时也给出了几种 i g b t抗动态雪崩击穿的措 施 ， 为今后的工程实践提供一定的参考资料 。 参考文献 【 1 】 崔京京 绝缘栅场效应晶体管的设计与研究 【 d 】 杭州： 浙江大学， 2 0 1 2 【 2 】 陆广香， 沈国荣， 陈泉等 大功率 i g b t过压与过热的分析 计算及其对策【 j j 电力电子技术， 2 0 0 6 ， 4 0 ( 2 ) ： 1 1 9 1 2 1 【 3 l u t z j s c h l a n g e n o t t o hs u w e ， d o n c k e r r d s e mi c o n d u c t o r p o we r de v i c e s p h y s i c s ， c h a r a c t e r i s t i c s ， r e l i a b i l i t y m ， s p r i n g e r ， 2 0 1 1 4 】 李星鲁 ， 吴郁， 查秭英 高压 i g b t的动态雪崩问题 j 】 电 力 电子 ， 2 0 1 2 ， ( 3 ) 5 s t e f a n l i n d e r 著， 肖曦， 李宏等译 功率半导体一器件与 应 用 m 北京 ： 机械 工业出版社 ， 2 0 0 8 【 6 d a g g e l e r i j _ b i e l a ， s ， l n o n e ， h a k a g i ， j ， w k o l a r b i di r e c t i o n a l i s o l a t e d dc ， dc e o n v e e r f o r ne x t ge n e r a t i o n p o we r di s t r i b u t i o n c o mp a r i s o n o f co n v e r t e r s u s i n g s i a n d s i c d e v