各种材料介电常数硅的介电常数是多少( 二 )

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图2 IGBT芯片的典型内部结构
2 铝键合线脱落故障的影响
由于功率波动等因素造成铝键合线脱落故障时，首先会改变其自身的杂散电阻和杂散电感。门-射极电压与终端电容有着直接的关系，所以铝键合线全部脱落会影响终端电容，进而又影响门-射极电压。
2.1 键合线脱落对门极杂散阻抗的影响
铝键合线是实现电连接的关键，通常为几根并联，每根键合线上由杂散电阻和杂散电感串联而成，如图3 。当部分键合线脱落、断裂或翘曲时，并联根数减少，铝键合线的等效杂散电感和杂散电阻增大。
图3 杂散电阻和杂散电感等效电路
铝键合线故障也会影响终端电容，大电流的IGBT模块中每个单元通常由两个或更多IGBT芯片并联，图4为IGBT芯片的门极等效电路。CGC和CGE是影响门极电压的主要参数，CCE的影响可忽略。

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图4 IGBT芯片门极等效电路
CGE计算公式为：
式中，AGE表示栅极多晶硅与发射极的金属重叠面积，dOX_GE表示他们之间的氧化层厚度，分别为真空介电常数和氧化层介电常数。铝键合线全部脱落导致CGE减小。
米勒电容CGC由COXD和CGDJ组成，计算公式分别为：
由公式可知CGDJ的值与VCE有关，因此在开通暂态过程中门-集极等效电容CGC并不是固定的值：
其中，AGD为IGBT芯片中MOSFET部分门-漏极交叠面积；q为电子电荷；NB为基区的掺杂浓度；εsi为硅的介电常数。由于键合线全部脱落会使AGD减小，CGDJ和COXD随之减小，因此CGC减小。
由上述分析可知，铝键合线部分脱落影响其等效杂散电阻和杂散电感，全部脱落后还会影响其等效杂散电容值。又由于栅极等效电容与铝键合线电阻数量级上的差异，铝键合线全部脱落时，杂散电容变化对门极电压的影响占主导。
2.2 杂散阻抗变化对门极电压波形的影响
IGBT模块杂散参数的变化导致门极开通电压波形发生改变。根据VCE和VGE的变化可将IGBT的开通暂态过程分为图5所示的3个阶段：

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图5 IGBT器件开通暂态过程
阶段1(t1<t<t2)：门极电压VGE开始上升但还未达到VGE(th)，IGBT器件仍然处于关断状态。门极电流给CGE和CGDJ充电，充电时间常数为τ=(Rw+Rg)(CGE+CGDJ) 。铝键合线部分故障杂散电阻增大，因此门极电压上升时间增大，上升速度减缓；芯片失效导致CGE减小，即门极回路内部杂散电容减小，所以门极电压上升时间减小，上升速度加快。
阶段2(t2<t<t3)：门极电压超过VGE(th)，IGBT器件导通。米勒电容CGC的存在，使得VGE出现米勒平台期，恒流源全部向CGC充电，因此米勒平台持续时间与CGC有关。键合线全部脱落导致CGC减小，所以米勒平台持续时间会缩短。捕捉米勒平台需要示波器具有很高的分辨率。
阶段3(t3<t<t4)：VCE下降至通态饱和压降，VGE逐渐上升至稳态值。由式(3)可知，CGC=COXD为常数。同阶段一，铝键合线部分故障VGE上升速度减慢，芯片失效时VGE上升速度加快。
综上可知，第一阶段和第三阶段具有相同的变化规律，故在未能捕捉到米勒平台的情况下，可将第一、三阶段联合起来分析。
3 实验测试及结果
在实验室模拟实际工况下功率循环等因素造成IGBT器件铝键合线故障。研究铝键合线脱落过程中门极电压的变化规律。
图6为开关特性测试电路，Vdc=450 V，驱动电压高电平+15 V，频率为10 kHz，负载阻抗为3 mH，20 Ω，栅极电阻Rg=10 Ω，示波器采样频率为1.25 GS/s 。测量铝键合线正常和分别脱落1-6根时IGBT模块的门极开通电压VGE，图7为正常和铝键合线发生脱落故障时门极开通电压波形比照图。

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