IGBT失效原因分析

1、IGBT失效原因分析引起IGBT失效的原因有：1） 過熱損壞集電極電流過大引起的瞬時(shí)過熱及其它原因，如散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)過熱均會使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，由于芯 片的熱容量小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過硅本征溫度(約250)，器件將失去阻斷能力，柵極控制就無法保護(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效1。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，一般最高允許的工作溫度為130左右。2)超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT為PNPN4層結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖1所示。體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)擴(kuò)展電阻Rs，P 型體內(nèi)的

2、橫向空穴電流在Rs上會產(chǎn)生一定的電壓降，對NPN基極來說，相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不大，對NPN 晶體管不起任何作用。當(dāng)集電極電流增大到一定程度時(shí)，該正向電壓足以使NPN晶體管開通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是，寄生晶閘管導(dǎo) 通，門極失去控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極電流增大，產(chǎn)生過高功耗，導(dǎo)致器件失效。動態(tài)擎住效應(yīng)主 要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，流過Rs，產(chǎn)生足以使NPN晶體管開通的正向偏置電壓，造成寄生晶閘管自鎖2。 3)瞬態(tài)過電流IGBT在

3、運(yùn)行過程中所承受的大幅值過電流除短路、直通等故障外，還有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過電流雖然持續(xù)時(shí)間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負(fù)擔(dān)，也可能會導(dǎo)致IGBT失效。4）過電壓造成集電極 發(fā)射極擊穿。5）過電壓造成柵極 發(fā)射極擊穿。整流拉逆變式組合保護(hù)方案IGBT保護(hù)方法當(dāng)過流情況出現(xiàn)時(shí)，IGBT必須維持在短路安全工作區(qū)（SCSOA）內(nèi)。IGBT承受短路的時(shí)間與電源電壓、柵極驅(qū)動電壓以及結(jié)溫有密切關(guān)系。為了防止由于短路故障造成IGBT損壞，必須有完善的故障檢測與保護(hù)環(huán)節(jié)。一般的檢測方法分為電流傳感器和IGBT欠飽和式保護(hù)。1）封鎖驅(qū)動

4、信號在 逆變電源的負(fù)載過大或輸出短路的情況下，通過逆變橋輸入直流母線上的電流傳感器進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測電流值超過設(shè)定的閾值時(shí)，保護(hù)動作封鎖所有橋臂的驅(qū)動信 號。這種保護(hù)方法最直接，但吸收電路和箝位電路必須經(jīng)特別設(shè)計(jì)，使其適用于短路情況。這種方法的缺點(diǎn)是會造成IGBT關(guān)斷時(shí)承受應(yīng)力過大，特別是在關(guān)斷感 性超大電流時(shí)，必須注意擎住效應(yīng)。2）減小柵壓IGBT的短路電流和柵壓有密切關(guān)系，柵壓越高，短路時(shí)電流就越大。在短路或瞬態(tài)過流情況下若能在瞬間將vGS分步減少或斜坡減少，這樣短路電流便會減小下來，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，di/dt也減小。集成驅(qū)動電路如EXB841或M579xx系列都有檢測vCES電路，當(dāng)發(fā)現(xiàn)

5、欠飽和時(shí)，柵壓箝位到10V左右，增大vCES，限制過電流幅值，延長允許過流時(shí)間。短路允許時(shí)間tsc和短路電流Isc同柵極電壓vG的關(guān)系如圖2所示。整流拉逆變式組合保護(hù)方案31逆變部分保護(hù)本 設(shè)計(jì)逆變器為半橋式結(jié)構(gòu)，串聯(lián)諧振負(fù)載，驅(qū)動采用IR公司的IR2110半橋驅(qū)動芯片。IR2110電路簡單，成本低，適用于中大功率IGBT，實(shí)驗(yàn)結(jié)果 也驗(yàn)證了IR2110驅(qū)動中大功率IGBT的可行性。IR2110芯片有一個(gè)封鎖兩路驅(qū)動的SD輸入端，當(dāng)此引腳為高電平時(shí)，立刻封鎖兩路輸出，如圖3所 示。 電壓型逆變器引起短路故障的原因有：1）直通短路橋臂中某一個(gè)器件（包括反并二極管）損壞；或由于控制電路，驅(qū)動電路的

6、故障，以及干擾引起驅(qū)動電路誤觸發(fā)，造成一個(gè)橋臂中兩個(gè)IGBT同時(shí)開通。2）負(fù)載電路短路在某些升壓變壓器輸出場合，副邊短路的情況。3）逆變器輸出直接短路圖4 給出了保護(hù)電路框圖。直通保護(hù)電路必須有非常快的速度，在一般情況下，如果IGBT的額定參數(shù)選擇合理，10s之內(nèi)的過流就不會損壞器件，所以必須在這 個(gè)時(shí)間內(nèi)關(guān)斷IGBT。母線電流檢測用霍爾傳感器，響應(yīng)速度快，是短路保護(hù)檢測的最佳選擇。比較器用LM319，檢測值與設(shè)定值比較，一旦超過，馬上輸出 保護(hù)信號封鎖驅(qū)動。同時(shí)用觸發(fā)器構(gòu)成記憶鎖定保護(hù)電路，以避免保護(hù)電路在過流時(shí)的頻繁動作。外接的復(fù)位電路也不可缺少。32整流部分保護(hù)對 于大功率電壓型逆變器，

7、為了改善進(jìn)線電流波形，一般在直流母線上串有濾波電感，如圖5所示。由于電感的存在，當(dāng)逆變電路一旦停止工作，如果整流電路仍處在 整流狀態(tài)，則電感中的能量將向電容釋放，在逆變保護(hù)動作瞬間電容將承受一個(gè)很高的過沖電壓，若不采取措施，可能會直接導(dǎo)致電容過壓損壞。尤其在負(fù)載電流很 高，L中儲能很大時(shí)，更加危險(xiǎn)。 假設(shè)逆變關(guān)斷時(shí)濾波電感中的電流全部從電容C中流過，同時(shí)整流器繼續(xù)輸出電壓Ud。圖6給出了等效電路，L與C串聯(lián)諧振，由于整流橋電流只能單向流通，所以振蕩到T/4時(shí)結(jié)束?？梢娫谥C振到1/4周期時(shí)，電容上的電壓達(dá)到最大值，之后諧振停止。電 容上最后電壓與母線電流，電感及電容有關(guān)。在我們試驗(yàn)用的10kW樣

8、機(jī)中，直流母線電壓200V時(shí)讓逆變瞬間在保護(hù)信號下關(guān)斷，母線電壓突然上升到近 450V。針對此種現(xiàn)象，采用在保護(hù)動作的同時(shí)將整流電路拉到逆變工作狀態(tài)(觸發(fā)角拉到約150)，使濾波電感中的能量大部分回饋到電網(wǎng)。在 實(shí)際應(yīng)用中，由于驅(qū)動電路的故障導(dǎo)致上下橋臂IGBT直通的可能性很小。鑒于此，也可以采用單一的整流部分拉逆變的保護(hù)方法。對于像負(fù)載過流或短路，都能 在IGBT允許的短路電流時(shí)間內(nèi)將整個(gè)裝置的工作停下來。這種保護(hù)方法并不直接針對IGBT，而是將前級整流輸入關(guān)斷，故障時(shí)IGBT仍處于工作狀態(tài)。這 屬于“軟保護(hù)”，對IGBT沒有應(yīng)力沖擊，同時(shí)也可以避免在大電流下瞬間關(guān)斷可能導(dǎo)致IGBT超出關(guān)斷

9、安全工作區(qū)而處于擎住狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果這 種保護(hù)方案已成功地應(yīng)用于大功率高頻高壓電壓型串聯(lián)諧振逆變器中，中壓輸出經(jīng)升壓變壓器升到6kV，用于材料電暈處理。樣機(jī)輸出功率約10kW。由于負(fù)載 是高壓電暈處理器，升壓變壓器內(nèi)部容易發(fā)生原、副邊擊穿現(xiàn)象。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不論對于負(fù)載短路，變壓器擊穿引起的過流，還是輸入電壓過高引起的過流都能很好 地保護(hù)逆變器不受損壞。結(jié)論IGBT是逆變器中最容易損壞的部分，特別是對于電壓型可控整流電路。在對IGBT直通保護(hù)時(shí)還要考慮到關(guān)斷逆變器對前級電路的影響。本文所介紹的整流逆變同時(shí)保護(hù)的方案可以可靠保護(hù)整個(gè)逆變器，并在實(shí)踐中取得了良好的效果。IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)

10、射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄,其擊穿電壓一般只能達(dá)到2030V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極-集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用絞線來傳送驅(qū)動信號，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。由于IGBT的柵極-發(fā)射極和柵極-集電極間存在著分布電容Cge和Cgc，以及發(fā)射極驅(qū)動電路中存在有分布電感Le，這些分布參數(shù)的影響,使得IGBT的實(shí)際驅(qū)動波形與理想驅(qū)動波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負(fù)載電路

11、（見圖1）得到驗(yàn)證。使用中的注意事項(xiàng)由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到2030V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)： 在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時(shí)，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化

12、層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。 此外，在柵極發(fā)射極間開路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。 在使用IGBT的場合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10K左右的電阻。 在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接

13、觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。IGBT管的測量-如何檢測判斷IGBT管的好壞IGBT管的測量-如何檢測判斷IGBT管的好壞IGBT管的好壞可用指針萬用表的Rxlk擋來檢測，或用數(shù)字萬用表的“二極管”擋來測量PN結(jié)正向壓降進(jìn)行判斷。檢測前先將IGBT管三只引腳短路放電，避免影響檢測的準(zhǔn)確度；然后用指針萬用表的兩枝表筆正反測G、e兩極及G、c兩極的電阻，對于正常的IGBT管（正常G、C兩極與G、c兩極間的正反向電阻均為無窮大；內(nèi)含阻尼二極管的IGBT管正常時(shí)，e、C極間均有4kW正向電阻），上述所測值均為無窮大；最后用指針萬用表的紅筆接c極，黑筆接e極，若所測值在35kWl左右，則所測管為含阻尼二極管的IGBT管，若所測值在50kW左右，則所測IGBT管內(nèi)不含阻尼二極管。對于數(shù)字萬用表，正常情況下，IGBT管的C、C極問正向壓降約為05V。綜上所述，內(nèi)含阻尼二極管的IGBT管檢測示意圖如圖，表筆連接除圖中外，其他連接檢測的讀數(shù)均為無窮大。測得IGBT管