電路設(shè)計(jì)中IGBT需要遵守什么準(zhǔn)則？

　　設(shè)計(jì)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)特別注意開通特性、負(fù)載短路能力和dUGE/d真引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓UGE增加，通態(tài)電壓下降，開通能耗Eon也下降，分別如圖1（a）和（b）所示。由圖略壓將隨集電極的電流增大而升高，開通損耗將隨結(jié)溫升高而增大。
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　　IGBT柵極負(fù)偏電壓—UGE直接影響其可靠運(yùn)行，負(fù)偏電壓升高時(shí)集電極的浪涌電流明顯下降，對(duì)關(guān)斷能耗無顯著的影響?！猆GE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗Eoff的關(guān)系分別如圖2（a）和（b）所示。柵極電阻RG增加，將使IGBT的開通與關(guān)斷時(shí)間增加，因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而柵極電阻減小，則又使di/dt增大，可能引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，同時(shí)RG上的損耗也有所增加。

　　IGBT的特性隨柵極驅(qū)動(dòng)條件的變化而變化，但對(duì)于IGBT 來說，柵極驅(qū)動(dòng)條件僅對(duì)其關(guān)斷特性略有影響。因此，應(yīng)將更多的注意力放在IGBT的開通、短路負(fù)載容量上。柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，除了引起電流下降時(shí)間延遲外，還影響開關(guān)損耗。柵極電阻減小時(shí)，總損耗將減小。開通能耗主要由MOSFET的特性決定，關(guān)斷能耗主要由少子決定，導(dǎo)通能耗比關(guān)斷能耗受柵極電阻的影響更大。為了減小du/dt的影響，柵極通常應(yīng)加人一個(gè)負(fù)偏壓，但是，這樣要求增加與高壓側(cè)開關(guān)器件隔離的電源。

　　柵極電壓的降低有助于控制IGBT承受短路電流的能力，降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓能夠減小短路時(shí)的集電極電流和功耗。在IGBT柵極上串 入二極管、電阻網(wǎng)絡(luò)，就能完成這種功能，并且響應(yīng)時(shí)間小于1μs。IGBT的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動(dòng)電路的變化而變化，因而驅(qū)動(dòng)電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作，1GBT對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路提出了以下要求：

　?。?）向IGBT施加適當(dāng)?shù)恼驏艍海⑶以贗GBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動(dòng)電路施加給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出極總處于飽和狀態(tài)。瞬時(shí)過載時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路施加的驅(qū)動(dòng)功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。 IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān)，在漏源電流一定的情況下，VCE越高，VDS也就越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮IGBT的工作能力。但是，VGE并非越高越好，一般不允許超過20 V，原因是一旦發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高。IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15 V為宜。

　?。?）能向IGBT施加足夠的反向柵壓。在IGBT 關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào)，這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此，最好給處于截止?fàn)顟B(tài)的ICBT加一反向柵壓f，幅值一般為5～15 V，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。

　?。?）具有柵極電壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。

　?。?）在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時(shí)間不能太短，以限制 di/dt形成的尖蜂電壓，確保IGBT的安全。

　?。?）IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單、實(shí)用。應(yīng)具有IGBT的完整保護(hù)功能，很強(qiáng)的抗干擾能力，且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低，驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。

　　（6）由于IGBT多用于高壓場(chǎng)合。要求有足夠的輸入、輸出電隔離能力。所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制 電路在電位上嚴(yán)格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。

　　此外，隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵，采用厚膜或PCB工藝支撐，部分阻容元件由引腳接人。這種產(chǎn)品主要用于IGBT的驅(qū)動(dòng)，因IGBT 具有電流拖尾效應(yīng)，所以光耦驅(qū)動(dòng)器無一例外部是負(fù)壓關(guān)斷。

　　IGBT在電路中失效是為什么？

　　IGBT模塊的失效分析就是通過對(duì)失效器件進(jìn)行各種測(cè)試和物理、化學(xué)、金相試驗(yàn)，確定器件失效的形式（失效模式），分析造成IGBT模塊失效的物理和化學(xué)過程（失效機(jī)理），尋找IGBT模塊失效原因，制訂糾正和改進(jìn)措施，以提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改進(jìn)電子產(chǎn)品質(zhì)量最積極、最根本的辦法，對(duì)提高整機(jī)可靠性有著十分重要的作用。

　　IGBT模塊與使用有關(guān)的失效十分突出，它占全部失效 IGBT模塊的絕大部分；進(jìn)口IGBT模塊與國(guó)產(chǎn)IGBT模塊相比，IGBT模塊固有缺陷引起 IGBT模塊失效的比例明顯較低，說明進(jìn)口IGBT模塊工藝控制較好，固有可靠性水平較高。

　　1.與使用有關(guān)的失效

　　與使用有關(guān)的失效原因主要有過電應(yīng)力損傷、靜電損傷、器件選型不當(dāng)，使用線路設(shè)計(jì)不當(dāng)，機(jī)械過應(yīng)力、操作失誤等。

　?。?）過電應(yīng)力損傷。過電應(yīng)力引起的燒毀失效占使用中失效IGBT模塊的絕大部分，它發(fā)生在IGBT模塊測(cè)試、篩選、電裝、調(diào)試、運(yùn)行等各個(gè)階段，其具體原因多種多樣，常見的有多余物引起的橋接短路、地線、電源系統(tǒng)產(chǎn)生的電浪涌，烙鐵漏電，儀器或測(cè)試臺(tái)接地不當(dāng)產(chǎn)生的感應(yīng)浪涌等。按電應(yīng)力的類型區(qū)分，有金屬橋接短路后形成的持續(xù)大電流型電應(yīng)力，還有線圈反沖電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的瞬間大電流型電應(yīng)力以及漏電、感應(yīng)等引起的高壓小電流電應(yīng)力；按器件的損傷機(jī)理區(qū)分，有外來過電應(yīng)力直接造成的PN結(jié)、金屬化燒毀失效，還有外來過電應(yīng)力損傷PN結(jié)或觸發(fā)CMOS 電路閂鎖后，引起電源電流增大而造成的燒毀失效。

　?。?）靜電損傷。嚴(yán)格來說，IGBT模塊靜電損傷也屬于電過應(yīng)力損傷，但是由于靜電型電過應(yīng)力的特殊性，以及IGBT模塊的廣泛使用，使得該問題日漸突出。靜電型電過應(yīng)力的特點(diǎn)是：電壓較高（幾百伏至幾萬伏），能量較小，瞬間電流較大，但持續(xù)時(shí)間極短。與一般的電過應(yīng)力相比，靜電型損傷經(jīng)常發(fā)生在IGBT模塊運(yùn)輸、傳送、電裝等非加電過程中，它對(duì)IGBT模塊的損傷過程是不知不覺的，危害性很大。從靜電對(duì)IGBT模塊損傷后的失效模式來看，不僅有PN結(jié)劣化擊穿，表面擊穿等高壓小電流型的失效模式，也有金屬化、多晶硅燒毀等大電流失效模式。

　?。?）rGBT模塊選型不當(dāng)。IGBT模塊選型不當(dāng)也是引起失效的原因之一，主要是設(shè)計(jì)人員對(duì)IGBT模塊參數(shù)、性能了解不全面，考慮不周，選用的IGBT模塊在某些方面不能滿足所設(shè)計(jì)的電路要求。

　?。?）作失誤。操作失誤也是IGBT模塊失效的原因之一，例如，IGBT模塊的極性接反引起的燒毀失效等。

　　2.IGBT模塊固有缺陷引起的失效

　　與IGBT模塊固有缺陷有關(guān)的失效原因主要有：表面問題、金屬化問題、壓焊絲鍵合問題、芯片鍵合問題、封裝問題、體內(nèi)缺陷等。在這幾種原因中，對(duì)IGBT模塊可靠性影響較大的是表面問題、芯片鍵合問題和芯片鍵合問題引起的失效，它們均帶有批次性，且經(jīng)常重復(fù)出現(xiàn)。

　?。?）表面問題引起IGBT模塊失效。從可靠性方面考慮，對(duì)IGBT模塊影響最大的是二氧化硅層內(nèi)的可動(dòng)正離子電荷，它會(huì)使IGBT模塊的擊穿電壓下降，漏電流增大，并且隨著加電時(shí)間的增加使IGBT模塊性能逐漸劣化，有這種缺陷的IGBT模塊用常規(guī)的篩選方法不能剔除，對(duì)可靠性危害很大。此外，芯片表面二氧化硅層中的針孔對(duì)IGBT模塊可靠性影響也較大，有這種缺陷的IGBT模塊，針孔剛開始時(shí)往往還有一層極薄的氧化層，IGBT模塊性能還是正常的，還可順利通過老煉、篩選等試驗(yàn)，但長(zhǎng)期使用后由于TDDB 效應(yīng)和電浪涌的沖擊，針孔就會(huì)穿通短路，引起IGBT模塊失效。

　?。?）金屬化問題引起IGBT模塊失效的主要原因有臺(tái)階斷鋁、鋁腐蝕、金屬膜劃傷等，對(duì)于一次集成電路，臺(tái)階斷鋁、鋁腐蝕較為常見，對(duì)于二次集成電路來說，內(nèi)部金屬膜電阻在清洗擦拭時(shí)被劃傷而開路失效也是常見的失效模式之一。

　?。?）見的壓焊絲鍵合問題引起的失效有以下幾類。

　　1）壓焊絲端頭或壓焊點(diǎn)處沾污腐蝕造成壓焊點(diǎn)脫落或腐蝕開路。

　　2）外壓焊點(diǎn)下的金層附著不牢，造成壓焊點(diǎn)脫落。

　　3）焊點(diǎn)過壓焊，使壓焊絲頸部斷開造成開路失效。

　　4）三焊絲弧度不夠，與芯片表面夾角太小，容易與硅片棱或與鍵合絲下的金屬化鋁線相啞，造成器件失效。

　　（4）最常見的芯片鍵合問題是芯片粘結(jié)的焊料太少、焊料氧化、燒結(jié)溫度過低等引起的開路現(xiàn)象。芯片鍵合不好，焊料氧化發(fā)黑，導(dǎo)致芯片在“磁成形”時(shí)受到機(jī)械應(yīng)力作用后從底座抬起分離，造成開路失效。

　?。?）封裝問題引起的失效，常見的有以下幾類。

　　1）裝不好，管殼漏氣，使水汽或腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入管殼內(nèi)部，引起壓焊絲和金屬化腐蝕。

　　2））管殼存在缺陷，使管腿開路、短路失效。

　　3）涂料龜裂、折斷鍵合鋁絲，造成IGBT模塊開路或瞬時(shí)開路失效，這種失效現(xiàn)象往往發(fā)生在器件進(jìn)行高、低溫試驗(yàn)時(shí)。

　　（6）體內(nèi)缺陷引起失效。IGBT模塊體內(nèi)缺陷也可引起器件的結(jié)特性變差而失效，但這種失效并不多見，而經(jīng)常出現(xiàn)的是體內(nèi)缺陷引起器件二次擊穿耐量和閂鎖閾值電壓降低而造成燒毀。