IGBT失效原因分析

1、IGBT失效分析IGBT失败的原因如下：1)由于集电极电流过大造成的瞬时过热和其他原因，如散热不良造成的持续过热，过热会损坏IGBT。如果设备持续短路，大电流引起的功耗将导致温度上升。因为芯片的热容量小，它的温度会迅速上升。如果芯片温度超过硅的固有温度(约250)，器件将失去阻挡能力，栅极控制无法保护，导致IGBT失效1。在实际运行中，最高允许工作温度约为130。2)超过关断安全工作区会造成持效，破坏持效，可分为静态持效和动态持效。IGBT有一个PNPN4层结构，其等效电路如图1所示。在体中有一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极和发射极之间有一个体扩展电阻Rs。P型体中的横向空穴电流将在Rs上

2、产生一定的电压降，这相当于NPN基极的正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，该正偏置电压不大，对NPN晶体管没有影响。当集电极电流增加到一定程度时，直流电压足以导通晶体管，从而使晶体管处于饱和状态。结果，寄生晶闸管导通，栅极失去控制，导致自锁现象，这称为静态保持效应。IGBT保持效应后，集电极电流增加，导致高功耗，导致器件失效。动态保持效应主要是由于当器件高速关断时，电流下降过快，并且dvCE/dt非常大，这导致流经Rs的大位移电流产生足以导通NPN晶体管的正向偏置电压，并导致寄生晶闸管自锁2。3)瞬态过流IGBT除了短路、直连等故障外，还存在大幅度过流，包括续流二极管反向恢复电流、缓冲电容

3、放电电流和噪声干扰引起的峰值电流。虽然这种瞬态过流持续时间很短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，还可能导致IGBT故障。4)过压导致集电极和发射极击穿。5)过电压引起的栅极发射极击穿。整流、牵引、逆变组合保护方案IGBT保护方法当发生过电流时，IGBT必须保持在短路安全工作区。IGBT短路时间与电源电压、栅极驱动电压和结温密切相关。为了防止IGBT因短路故障而受损，必须有完善的故障检测和保护环节。一般检测方法分为电流传感器和IGBT欠饱和保护。1)阻断驱动信号当逆变电源负载过大或输出短路时，DC总线上的电流传感器通过逆变桥输入进行检测。当检测到的电流值超过设定的阈值时，保护动作阻断所有

4、桥臂的驱动信号。这种保护方法是最直接的，但吸收电路和箝位电路必须专门设计成适合短路。这种方法的缺点是IGBT在关断时会承受太大的应力，特别是在关断电感电流时，必须注意保持效应。2)降低栅极电压IGBT的短路电流与栅极电压密切相关。栅极电压越高，短路电流越大。在短路或瞬态过流情况下，如果vGS可以逐步减小或立即下降，短路电流将会减小，当IGBT关闭时，di/dt也会减小。集成驱动电路，如EXB841或M579xx系列，都有vCES检测电路。当发现不饱和时，栅极电压被箝位到约10V，这增加了电压有效值，限制了过电流的幅度，并延长了允许的过电流时间。短路允许时间tsc与短路电流Isc和栅极电压vG之

5、间的关系如图2所示。整流、牵引、逆变组合保护方案3.1逆变器保护本设计中，逆变器为半桥结构，带串联谐振负载，驱动采用IR公司的IR2110半桥驱动芯片。IR2111)直接短路桥臂中的一个器件(包括反并联二极管)损坏；或者一个桥臂中的两个IGBT由于控制电路和驱动电路的故障以及由干扰引起的驱动电路的误触发而同时导通。2)负载电路短路在升压变压器的某些输出场合，二次侧短路。3)逆变器输出直接短路图4示出了保护电路的框图。直通保护电路必须具有非常快的速度。一般来说，如果合理选择IGBT的额定参数，10s内的过流不会损坏器件，因此IGBT必须在此时间内关闭。用于母线电流检测的霍尔传感器响应速度快，是短

6、路保护检测的最佳选择。比较器使用LM319，并将检测值与设定值进行比较。一旦超过设定值，它立即输出一个保护信号来阻止驱动。同时，存储器锁定保护电路由触发器构成，以避免保护电路在过电流期间频繁动作。外部复位电路也是必不可少的。3.2整流部分保护对于大功率电压源逆变器，为了改善输入电流波形，滤波电感通常串联在DC总线上，如图5所示。由于电感的存在，一旦逆变电路停止工作，如果整流电路仍处于整流状态，电感中的能量将释放给电容，电容将在逆变保护动作时承受较高的过冲电压。如果不采取措施，电容器可能直接被过电压损坏。特别是当负载电流非常高，并且L中的能量存储非常大时，它甚至更危险。假设当逆变器关闭时，滤波电

7、感中的所有电流流经电容c，整流器继续输出电压Ud。等效电路如图6所示。l和c串联谐振。由于整流桥电流只能沿一个方向流动，因此振荡在T/4处结束。可以看出，当谐振达到1/4周期时，电容器上的电压达到最大值，然后谐振停止。电容器上的最终电压与总线电流、电感和电容有关。在我们的10kW样机中，当DC总线电压为200伏时，逆变器在保护信号的作用下立即关闭，总线电压突然上升到近450伏.鉴于这种现象，在保护动作的同时，整流电路被拉至逆变器工作状态(触发角被拉至约150)，使得滤波电感中的大部分能量被反馈至电网。在实际应用中，由于驱动电路的故障，上下桥臂IGBT不太可能通过。鉴于此，也有可能采用单整流器部

8、分拉逆变器的保护方法。对于负载过流或短路，整个装置可以在IGBT允许的短路电流时间内停止。这种保护方式不是直接针对IGBT，而是关闭前级整流的输入，IGBT在故障时仍处于工作状态。这是一种“软保护”，对IGBT没有压力影响，也可以避免IGBT在大电流下瞬间关断时可能处于保持状态。实验结果该保护方案已成功应用于大功率、高频、高压串联谐振逆变器，通过升压变压器对材料进行电晕处理，中压输出提高到6kV。样机输出功率约为10kW。因为负载是高压电晕处理器，所以升压变压器的一次侧和二次侧容易发生击穿。发现负载短路、变压器击穿和高输入电压引起的过流可以保护逆变器免受损坏。结论IGBT是逆变器中最容易损坏的

9、部分，尤其是对于压控整流电路。当通过保护IGBT时，还应考虑关闭逆变器对前级电路的影响。本文介绍的整流器和逆变器同时保护方案能够可靠地保护整个逆变器，在实践中取得了良好的效果。IGBT的栅极通过氧化膜与发射极电绝缘。因为这种氧化膜很薄，其击穿电压只能达到20 30 V，所以栅极击穿是IGBT失败的常见原因之一。在应用中，虽然确保栅极驱动电压不超过栅极的最大额定电压，但是栅极布线的寄生电感以及栅极和集电极之间的电容耦合也会产生振荡电压，这将损坏氧化层。因此，双绞线通常用于传输驱动信号，以降低寄生电感。振荡电压也可以通过在栅极布线上串联一个小电阻来抑制。由于IGBT的栅极-发射极和栅极-集电极之间

10、的分布电容Cge和Cgc，以及发射极驱动电路中的分布电感Le，IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形并不完全相同，存在一些不利于IGBT开关的因素。这可以通过带有续流二极管的电感负载电路来验证(见图1)。使用中的注意事项因为IGBT模块是MOSFET结构，所以IGBT的栅极通过氧化膜与发射极电隔离。因为这种氧化膜很薄，它的击穿电压一般达到20 30v。因此，静电引起的电网故障是IGBT故障的常见原因之一。因此，使用时应注意以下几点：使用模块时，尽量不要用手触摸驱动终端。当你必须触摸模块终端时，你应该首先释放人体或衣服上的静电，然后触摸它；当用导电材料连接模块驱动端子时，在接线正确连接之前，请不要

11、连接模块；尽量在底板接地良好的情况下操作。在应用中，虽然确保栅极驱动电压不超过栅极的最大额定电压，但是栅极布线的寄生电感以及栅极和集电极之间的电容耦合也会产生损坏氧化层的振荡电压。因此，双绞线通常用于传输驱动信号，以降低寄生电感。振荡电压也可以通过在栅极布线上串联一个小电阻来抑制。此外，当栅极和发射极之间存在开路时，如果在集电极和发射极之间施加电压，随着集电极电位的变化，栅极电位上升，集电极电流流动。此时，如果集电极和发射极之间有高电压，IGBT可能会被加热甚至损坏。当使用IGBT时，当电网电路异常或损坏(电网开路)时，如果主电路上施加电压，IGBT将被损坏。为了防止这种故障，应该在栅极和发射

12、极之间串联一个约10 k的电阻。安装或更换IGBT模块时，应特别注意IGBT模块和散热器之间的接触面状态和紧固程度。为了降低接触热阻，最好在散热器和IGBT模块之间涂抹导热硅脂。通常，冷却风扇安装在散热片的底部。当冷却风扇损坏时，散热片散热不良，这将导致IGBT模块发热并出现故障。因此，应定期检查冷却风扇。通常，温度传感器安装在IGBT模块附近的散热器上，当温度过高时，该传感器会发出警报或停止IGBT模块。IGBT管的测量如何检测和判断IGBT管的质量IGBT管的测量如何检测和判断IGBT管的质量IGBT管的质量可以用指针式万用表的Rxlk块检测，也可以用数字万用表的“二极管”块测量PN结正向

13、压降来判断。测试前，将IGBT管的三个引脚短路并放电，以免影响测试的准确性；然后用指针式万用表的两个探针测量G极和E极以及G极和C极的电阻。对于正常的IGBT管(正负两极和正负两极之间的电阻是无限的；当带阻尼二极管的IGBT管正常时，在E极和C极之间有4kW正向电阻)，上述测量值为无穷大；最后，用指针万用表的红色笔将C极和黑色笔连接到E极。如果测量值约为3.5千瓦，则被测管为带阻尼二极管的IGBT管。如果测量值为综上所述，图中所示为带阻尼二极管的IGBT管检测的示意图，除此之外的其它连接的读数是无限的。IGBT管的三个引脚之间的电阻非常小，这表明该管已经损坏；如果测得的