在電力電子領(lǐng)域，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為一種關(guān)鍵的功率半導(dǎo)體器件，被廣泛應(yīng)用于各種電力轉(zhuǎn)換和控制電路中。然而，IGBT 在實(shí)際運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)短路失效的情況，這不僅會影響設(shè)備的正常運(yùn)行，還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。以下將結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和仿真論證，對 IGBT 短路失效的幾種常見情況進(jìn)行詳細(xì)分析。
雖然網(wǎng)上對 IGBT 短路失效已有諸多詳細(xì)的解釋和分類，但在實(shí)際工作中，常見的失效情況主要集中在脈沖階段、關(guān)斷階段以及關(guān)斷完畢之后。失效模式主要包括熱失效、動態(tài)雪崩失效以及電場尖峰過高導(dǎo)致的電流分布不均勻失效。
關(guān)斷完畢之后的延遲失效，通常是由于器件在短路過程中積累了大量的熱量。在設(shè)定的短路時間內(nèi)，這些熱量來不及向四周傳遞。而在關(guān)斷后的幾微秒內(nèi)，熱量傳遞到芯片四周，尤其是芯片背面的某些區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域的發(fā)射效率提高，空穴濃度上升，碰撞離化加劇，終使電流再次升高，導(dǎo)致器件失效。
在測試短路能量極，若不斷增加短路時間，例如在 8 微秒時器件未失效，而在 9 微秒時失效，但 9 微秒的短路波形正常，此時仍能讀取到短路能量。不過，這個能量不能作為該芯片的短路能量極限，而應(yīng)取失效前（即 8 微秒時）的能量作為極限。這是因?yàn)闊崃康膫鬟f需要時間，9 微秒不足以將熱量完全傳遞到芯片背面的每一處區(qū)域。一般來說，延遲失效與芯片的厚度和面積有關(guān)，芯片越厚、面積越大，延遲失效越容易發(fā)生。在對高壓器件（如額定 1700V 的芯片）進(jìn)行短路能量極限測試時，失效情況基本都是延遲失效。
短路關(guān)斷失效通常是由于發(fā)生了動態(tài)雪崩。當(dāng)器件在短路關(guān)斷時，會產(chǎn)生較大的電流變化率（didtoff），該變化率疊加在系統(tǒng)雜感上，會產(chǎn)生一個集電極 - 發(fā)射極（Vce）電壓過沖尖峰。若該尖峰過大，就會導(dǎo)致器件失效。
在測試器件的短路極限能力（如電流極限和能量極限）時，通?？梢允褂幂^大的驅(qū)動電阻（Rgoff）。但在測試器件的短路安全工作區(qū)（SOA）時，當(dāng)驅(qū)動電阻與雙脈沖測試的驅(qū)動電阻一致時，就需要考慮這個電壓尖峰的影響。關(guān)斷失效的原理相對容易理解，在此不再贅述。
當(dāng) IGBT 背面增益較低時，短路脈沖階段的電場呈現(xiàn)出背面電場比正面電場高的特點(diǎn)，這會導(dǎo)致一種短路脈沖失效現(xiàn)象。背面電場抬高會引起背面電流分布不均勻，產(chǎn)生電流絲，進(jìn)而形成局部過熱區(qū)，終導(dǎo)致器件失效。
一方面，短路電流越大，越容易導(dǎo)致短路脈沖失效。另一方面，背面增益越低，也越容易引發(fā)這種失效。通過 TCAD 仿真可以進(jìn)一步驗(yàn)證這些結(jié)論。
在短路仿真中，對背面集電極注入劑量進(jìn)行拉偏（如 3e13、3e14、3e15），可以發(fā)現(xiàn) 3e13 劑量時背面電場。同時，對比靜態(tài)擊穿電壓（BV）仿真和雙脈沖仿真時的電場分布（如圖二、圖三所示），可以驗(yàn)證短路脈沖階段背面電場比正面電場高，且背面增益越低，背面電場越高，越容易發(fā)生短路脈沖失效。
此外，在短路仿真時對電流進(jìn)行拉偏（如圖四所示），可以看到 IGBT 短路電流大時，更容易發(fā)生短路脈沖失效。這是因?yàn)榇箅娏鲗?dǎo)通時，IGBT 內(nèi)部充斥著大量載流子。當(dāng)背面增益不夠大時，漂移區(qū)內(nèi)部的電場梯度（dE/dt）會隨著電流的增大而減小，導(dǎo)致背面電子增多，電場在背面反轉(zhuǎn)，背面電場高于正面電場。而實(shí)際工藝中，IGBT 內(nèi)部重復(fù)的單元結(jié)構(gòu)存在微小差異，背面高電場強(qiáng)度并非處處相等，在脈沖初始階段會出現(xiàn)微小的電流不均勻分布現(xiàn)象。此時，器件的短路電流會流向電場不均勻區(qū)域，加劇電流不均，形成正反饋，終導(dǎo)致局部過熱，使器件在脈沖階段就發(fā)生失效。
因此，除了降低器件短路電流外，增大背面增益也是提高 IGBT 短路能力的一種有效方式。
綜上所述，深入了解 IGBT 短路失效的原因和機(jī)制，對于提高 IGBT 的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。通過合理設(shè)計電路、優(yōu)化驅(qū)動參數(shù)以及改進(jìn)制造工藝等措施，可以有效降低 IGBT 短路失效的風(fēng)險，確保電力電子設(shè)備的安全可靠運(yùn)行
