IGBT的常温反向偏置考核及在光伏逆变应用中的意义

IGBT产品一般包括IGBT器件(单管)和IGBT模块，是目前电力电子系统中最常用的核心功率器件，其性能和可靠性直接决定整个系统的表现。随着半导体技术的发展和完善，功率器件和模块的可靠性考核已经形成了比较完善的方法和标准，对器件抵抗电应力、机械应力、环境变化等能力进行考核。IGBT产品可靠性考核经常参考的标准包括JESD22，AEC-Q101、 MIL-STD-750、AQG-324、IEC 60747-9 等。大部分IGBT厂商实际执行标准是参考业内常用的代表性标准，并结合器件实际情况，制定自己的具体考核标准。

IGBT产品常用的可靠性测试项目中一般包括寿命测试和环境测试，其中常用的寿命测试主要有：高温反向偏置(HTRB)、高温栅极偏压(HTGB)、高温高湿反向偏置(H3TRB)、高压高温高湿反偏测试(HV-H3TRB)、间歇操作寿命(IOL)、功率循环测试(PCsec/PCmin)等，常用的环境测试一般包括：温度循环(TC)、高压炉测试(Pressure Cooker Test, PCT)、热冲击试验(TST)、无偏压高加速应力测试(UHAST)、震动测试(V)、机械冲击测试(MS)等。

‌高温反向偏置(HTRB)测试由于试验设备成本较低、实验方法简单、对芯片持续耐压能力的考核最为直观等原因，成为最常用的可靠性考核项目。高温反向偏置(HTRB)‌通过对产品施加持续的高温和反向偏置电压，经过一定的时间，确认器件的参数变化情况，来评估器件在高温恶劣条件下的可靠性、稳定性，并估算实际工作情况下的使用寿命。

进行高温反向偏置(HTRB)时，单管和模块的试验条件基本一致，要求在高温下，器件栅极和发射极短接(VGE=0V)，集电极施加80%或大于80%额定电压的偏置电压(VCE≥80%VCE.max)，持续一定时间，一般为1000小时，监测器件耐压和漏电流的变化情况。如下表，AQG-324中规定，IGBT产品的HTRB考核温度一般应选择TC =Tvj.max-△TP.loss，其中△TP.loss指在考核过程中由于器件漏电和器件两端电压产生的功率发热而造成的器件结温的升高，这样做的目的是尽可能的在最接近但不超过最大结温的条件下做考核。

为什么反向偏置考核使用高温条件呢？主要有几个方面的原因。第一，高温条件下更容易显现封装材料或工艺的缺陷，如封装应力偏大或塑封材料玻璃化温度(Tg)不达标等。第二，对于芯片内部，温度升高会加强半导体本征激发，使得更多的载流子参与漂移运动，可以更快速暴露出芯片内部可能存在的缺陷。例如，当芯片的耐压结构，一般多发生在横向终端保护区，电场分布不合理造成局部电场强度过高时，高温增强的本征激发会造成高电场区域碰撞电离率进一步增加，极端情况下，载流子在高电场作用下，变为具有高能量的热载流子，当载流子的能量超过Si-SiO2的势垒高度时，载流子能直接注入或通过隧穿效应进入SiO2，就有可能造成器件性能退化。第三，当器件制程中存在可动离子等污染时，高温会增加可动离子移动的可能性。例如，考核后如果出现漏电流增加，但高温烘烤后漏电流会恢复，那很有可能就是可动离子造成的。

既然高温能大幅增加器件退化的可能性，那假如常温条件下做反向偏置实验，是不是就一定会更容易通过呢？其实不一定的。常温反向偏置时，对器件封装和可动离子影响的考核难度的确降低了。但对芯片实际的电性能考核难度，某种角度来说可能是增加的。因为需要注意的是，IGBT的击穿电压BVCES是正温度特性的参数，BVCES随温度增加而上升。假设某额定电压1200V产品常温下实际BVCES为1300V，由于BVCES的正温度特性，150℃时较常温大约增加12%，BVCES约为1450V左右。以80%额定电压(VCE.max)考核为例，当分别用25℃和150℃做考核时，25℃考核的耐压裕量约为1300V-960V=340V，150℃考核的耐压裕量约为1450V-960V=490V，也就是说25℃考核的耐压裕量较150℃时降低30%左右。

实际考核是不是这样呢？分别选用了国内S公司和国外O公司两种同规格1200V，75A的IGBT器件做对比，这两种器件在厂家的可靠性报告中都是至少可以通过150℃、80%VCE.max的HTRB考核的。安排样品初测后，进行了常温反向偏置考核，考核条件为25℃、80%VCE.max(1200X80%=960V)，进行了168小时考核后出炉进行复测，其中O公司产品中一颗漏电流从30nA增加到了1.2uA，虽然没有超过规格书规范，但漏电流增加了约40倍，且伴随BVCES小幅下降；S公司产品2颗直接失效，器件G，C，E三端已短路，对失效样品去除封装，均在cell区域发现失效点。

可靠性考核前后的BVCES和ICES对比如下：

由前边的分析和实验结果来看，常温反向偏置(Room temperature reverse bias，RTRB)项目与高温反向偏置(HTRB)的考核侧重点和难度是有差异的。我们大多数应用中，器件工作后结温很快会上升超过常温，且系统关机后一般器件两端都没有电压了，好像都与常温反向偏置的工况不一致，那常温反向偏置(RTRB)的现实意义是什么呢？确实，在大多数应用中实际工况下与常温反向偏置(RTRB)并不一致，因此常温反向偏置(RTRB)也不是业内通用的一个标准考核项目。但在有些应用的特殊工况中，这个项目是有其实际意义的。

在光伏逆变系统中，太阳能光伏板为逆变器提供输入电压，通过光伏逆变器逆变后供给电网或储能系统。大多数情况下，如果系统不工作时，光伏逆变器输入端断开，逆变器输入端没有电压。但在有些情况下，逆变器虽然不工作，但并没有和前端断开，逆变器持续有电压输入。这种情况有可能持续几个月之久，并且此时的环境温度可能低至-40℃。在这种情况下，逆变器中的IGBT是持续承受电压的，且环境温度低时，由于BVCES的正温度特性，例如-40℃时的BVCES一般仅有常温的92%左右，造成IGBT承受电压与器件真实BVCES能力之间的差值进一步减小。此时逆变器中IGBT承受的工况就与常温反向偏置非常接近了，此时如果IGBT发生失效，就会造成系统再次启动后，逆变器直接失效或短时间工作后就失效的现象。因此，在光伏逆变应用中，常温反向偏置(RTRB)就是非常必要的，且非常有实际意义的。

常温反向偏置(RTRB)考核的主要是芯片结构缺陷、工艺和材料缺陷、器件内部击穿一致性等，且考核难度会随反向偏置电压的提高而增加。增加器件的BVCES裕量是一种提升常温反向偏置(RTRB)能力的有效手段。但并不是足够的BVCES裕量就可以完全保证常温反向偏置(RTRB)考核的成功，比如前边考核的两款1200V产品，实际BVCES裕量也是比较充足的。这是由于BVCES测试时是一个短时间测试，一般测试时间仅有mS量级，且测试条件一般是ICES等于几百uA或几mA，此时如果器件中存在轻微缺陷或个别区域临界击穿导致器件漏电流的小幅增加是无法被监测到的。因此，常温反向偏置(RTRB)能力需要在IGBT设计、生产、测试环节都有充分的考虑和严格的把控。

新洁能Gen.7 IGBT产品通过增加器件BVCES裕量，保证产品全温度范围内实际BVCES大于器件额定电压；并通过优化器件设计，加强生产测试环节的管控，使器件具备常温反向偏置(RTRB)能力。以光伏逆变中最常用到的1200V 75A的NCE75ED120VT产品为例，采用更为严苛的100%VCE.max条件，并且做完整的1000小时，结果如下：

不仅1200V产品，在Gen.7 IGBT中的650V，750V、1000V、1400V等电压平台中也全部使用了相同的方案，并且针对光伏、储能应用的“V”系列产品，除常规可靠性项目外，各平台已全部完成了相应的常温反向偏置(RTRB)考核。