1200伏沟槽IGBT在重复过电流关断条件下的失效分析

《IEEE Transactions on Power Electronics》：Failure Analysis of 1200 V Trench IGBTs Under Repetitive Overcurrent Turn-OFF

IGBT重复过流关断中，通过实验与仿真发现器件因门极热累积和扩散路径异常导致RBSOA退化，开关频率升高加剧退化现象。

　　

摘要：

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）应能够反复关断过电流，这一特性得益于转换器中常用的栅极形成策略。本文研究了IGBT在反复关断过电流过程中的失效机制。首先，建立了一个等效实验电路，对1200伏特的IGBT在不同开关频率下进行了反复关断过电流测试。测试结果表明，这些器件最终会经历二次击穿失效。此外，对失效IGBT的扫描电子显微镜分析揭示了多种微观结构特征，例如烧蚀区附近的电流路径以及活性区域中的波浪状变形，这些现象表明栅极附近存在热量积聚，并且热量从栅极向N型漂移区的扩散呈弯曲趋势。这些发现通过技术计算机辅助设计电热仿真得到了验证，仿真结果显示在反复关断过电流过程中反向偏置安全工作区（RBSOA）会退化。而且，由于热量积聚加速，较高开关频率下的RBSOA退化更为严重。

引言

由于栅极形成（GFM）控制策略能够自主调节系统电压和频率[1]、[2]，它在最近的研究中受到了广泛关注。然而，英国电网形成最佳实践指南建议，GFM转换器应尽可能保持自然响应模式，而不是在电网故障时切换到跟随电网模式以实现快速电流注入[3]。因为保持这种电压源行为在应急情况和故障后恢复过程中对电力系统运行更有益，尤其是在电网较弱的地区。这就要求GFM转换器能够在电网故障期间承受过电流[4]。