引起IGBT失效的原因

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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,?兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,?MOSFET）金氧半場(chǎng)效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。但仍無(wú)法抵抗來(lái)自外界的干擾和自身系統(tǒng)引起的各種失效問(wèn)題。

IGBT失效場(chǎng)合：來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部，如電力系統(tǒng)分布的雜散電感、電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、負(fù)載突變都會(huì)引起過(guò)電壓和過(guò)電流；來(lái)自系統(tǒng)外部，如電網(wǎng)波動(dòng)、電力線感應(yīng)、浪涌等。歸根結(jié)底，IGBT失效主要是由集電極和發(fā)射極的過(guò)壓/過(guò)流和柵極的過(guò)壓/過(guò)流引起。

IGBT失效機(jī)理：IGBT由于上述原因發(fā)生短路，將產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流——在關(guān)斷時(shí)電流變化率di/dt過(guò)大。漏感及引線電感的存在，將導(dǎo)致IGBT集電極過(guò)電壓，而在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)，使IGBT鎖定失效。同時(shí)，較高的過(guò)電壓會(huì)使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進(jìn)入放大區(qū)， 使管子開關(guān)損耗增大。

IGBT傳統(tǒng)防失效機(jī)理：盡量減少主電路的布線電感量和電容量，以此來(lái)減小關(guān)斷過(guò)電壓；在集電極和發(fā)射極之間，放置續(xù)流二極管，并接RC電路和RCD電路等；在柵極，根據(jù)電路容量合理選擇串接阻抗，并接穩(wěn)壓二極管防止柵極過(guò)電壓。

引起IGBT失效的原因

1、電容失效或漏電：從而引起IGBT損壞。經(jīng)檢查其他元件無(wú)問(wèn)題的時(shí)候 ，更換0.3UF和400V電容。?

2、IGBT管激勵(lì)電路異常：震蕩電路輸出的脈沖信號(hào)，不能直接控制IGBT飽和，導(dǎo)通和截止，必須通過(guò)激勵(lì)脈沖信號(hào)放大來(lái)完成。

3、同步電路異常：同步電路的主要作用是保證加到IGBT管G級(jí)上的開關(guān)脈沖前言與IGBT管上VCE脈沖后延同步當(dāng)同步電路工作出現(xiàn)異樣，導(dǎo)致IGBT管瞬間擊穿。?

4、工作電壓異常：電壓出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)使IGBT管激勵(lì)電路，風(fēng)扇散熱系統(tǒng)及LM339工作失常導(dǎo)致IGBT上電瞬間損壞。

5、散熱系統(tǒng)異常：在大電流狀態(tài)下其發(fā)熱量也大，如果散熱系統(tǒng)出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致IGBT過(guò)熱損壞。?

6、單片機(jī)異常：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部會(huì)因?yàn)楣ぷ黝l率異常而燒毀IGBT。?

7、VCE檢測(cè)電路異常：VCE檢測(cè)將IGBT官集電極上的脈沖電壓通過(guò)，電阻分壓，此電壓的信息變化傳到CPU，做出各種相應(yīng)的指令。當(dāng)VCE檢測(cè)電路出現(xiàn)故障的時(shí)候，VEC脈沖幅度。超過(guò)IGBT管的極限值，從而導(dǎo)致IGBT損壞。

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IGBT短路分類

通過(guò)上面分析，大家應(yīng)該知道過(guò)流和短路的區(qū)別了，下面我們從IGBT視角分析幾種常見的短路故障類型。

圖2 IGBT短路故障類型

①?IGBT開通瞬態(tài)發(fā)生的短路行為（SC 1）：IGBT開通（門極電壓由負(fù)壓轉(zhuǎn)為正壓的過(guò)程中）導(dǎo)致的短路故障，也就是IGBT在開通之前，系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生短路故障。

②?IGBT通態(tài)過(guò)程發(fā)生的短路行為（SC 2）：IGBT在導(dǎo)通過(guò)程中（門極保持正壓開通），且正向?qū)娏鲿r(shí)，由于外部原因?qū)е碌钠骷娏魍蝗辉龃笮袨椤?/p>

③?IGBT通態(tài)過(guò)程發(fā)生的短路行為（SC 3），IGBT在導(dǎo)通過(guò)程中（門極保持正壓開通），且內(nèi)部續(xù)流二極管正向?qū)娏鲿r(shí)，這時(shí)由于外部原因?qū)е碌钠骷娏魍蝗辉龃笮袨椤?/p>

4、過(guò)電壓造成集電極、發(fā)射極擊穿或造成柵極、發(fā)射極擊穿。

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IGBT保護(hù)方法

當(dāng)過(guò)流情況出現(xiàn)時(shí)，IGBT必須維持在短路安全工作區(qū)內(nèi)。IGBT承受短路的時(shí)間與電源電壓、柵極驅(qū)動(dòng)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，必須有完善的檢測(cè)與保護(hù)環(huán)節(jié)。一般的檢測(cè)方法分為電流傳感器和IGBT欠飽和式保護(hù)。

1、立即關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)

在逆變電源的負(fù)載過(guò)大或輸出短路的情況下，通過(guò)逆變橋輸入直流母線上的電流傳感器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)電流值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作封鎖所有橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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(huì)造成IGBT關(guān)斷時(shí)承受應(yīng)力過(guò)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、先減小柵壓后關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)

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(guò)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(huì)減小下來(lái)，長(zhǎng)允許過(guò)流時(shí)間。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，di/dt也減小。限制過(guò)電流幅值