電路設(shè)計中IGBT需要遵守什么準則？
設(shè)計IGBT柵極驅(qū)動電路時，應特別注意開通特性、負載短路能力和dUGE/d真引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓UGE增加，通態(tài)電壓下降，開通能耗Eon也下降，分別如圖1（a）和（b）所示。由圖略壓將隨集電極的電流增大而升高，開通損耗將隨結(jié)溫升高而增大。
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IGBT柵極負偏電壓—UGE直接影響其可靠運行，負偏電壓升高時集電極的浪涌電流明顯下降，對關(guān)斷能耗無顯著的影響。—UGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗Eoff的關(guān)系分別如圖2（a）和（b）所示。柵極電阻RG增加，將使IGBT的開通與關(guān)斷時間增加，因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而柵極電阻減小，則又使di/dt增大，可能引發(fā)IGBT誤導通，同時RG上的損耗也有所增加。
IGBT的特性隨柵極驅(qū)動條件的變化而變化，但對于IGBT 來說，柵極驅(qū)動條件僅對其關(guān)斷特性略有影響。因此，應將更多的注意力放在IGBT的開通、短路負載容量上。柵極驅(qū)動電路的阻抗，除了引起電流下降時間延遲外，還影響開關(guān)損耗。柵極電阻減小時，總損耗將減小。開通能耗主要由MOSFET的特性決定，關(guān)斷能耗主要由少子決定，導通能耗比關(guān)斷能耗受柵極電阻的影響更大。為了減小du/dt的影響，柵極通常應加人一個負偏壓，但是，這樣要求增加與高壓側(cè)開關(guān)器件隔離的電源。
柵極電壓的降低有助于控制IGBT承受短路電流的能力，降低柵極驅(qū)動電壓能夠減小短路時的集電極電流和功耗。在IGBT柵極上串 入二極管、電阻網(wǎng)絡(luò)，就能完成這種功能，并且響應時間小于1μs。IGBT的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動電路的變化而變化，因而驅(qū)動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作，1GBT對其驅(qū)動電路提出了以下要求：
?。?）向IGBT施加適當?shù)恼驏艍?，并且在IGBT導通后，柵極驅(qū)動電路施加給IGBT的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出極總處于飽和狀態(tài)。瞬時過載時，柵極驅(qū)動電路施加的驅(qū)動功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。 IGBT導通后的管壓降與所加柵源電壓有關(guān)，在漏源電流一定的情況下，VCE越高，VDS也就越低，器件的導通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮IGBT的工作能力。但是，VGE并非越高越好，一般不允許超過20 V，原因是一旦發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高。IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15 V為宜。
?。?）能向IGBT施加足夠的反向柵壓。在IGBT 關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此，最好給處于截止狀態(tài)的ICBT加一反向柵壓f，幅值一般為5～15 V，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。
?。?）具有柵極電壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20V，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。
?。?）在大電感負載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以限制 di/dt形成的尖蜂電壓，確保IGBT的安全。
（5）IGBT的柵極驅(qū)動電路應盡可能的簡單、實用。應具有IGBT的完整保護功能，很強的抗干擾能力，且輸出阻抗應盡可能的低，驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。
?。?）由于IGBT多用于高壓場合。要求有足夠的輸入、輸出電隔離能力。所以驅(qū)動電路應與整個控制 電路在電位上嚴格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。
此外，隔離驅(qū)動產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅(qū)動信號和被驅(qū)動的絕緣柵，采用厚膜或PCB工藝支撐，部分阻容元件由引腳接人。這種產(chǎn)品主要用于IGBT的驅(qū)動，因IGBT 具有電流拖尾效應，所以光耦驅(qū)動器無一例外部是負壓關(guān)斷。
IGBT在電路中失效是為什么？
IGBT模塊的失效分析就是通過對失效器件進行各種測試和物理、化學、金相試驗，確定器件失效的形式（失效模式），分析造成IGBT模塊失效的物理和化學過程（失效機理），尋找IGBT模塊失效原因，制訂糾正和改進措施，以提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改進電子產(chǎn)品質(zhì)量最積極、最根本的辦法，對提高整機可靠性有著十分重要的作用。
IGBT模塊與使用有關(guān)的失效十分突出，它占全部失效 IGBT模塊的絕大部分；進口IGBT模塊與國產(chǎn)IGBT模塊相比，IGBT模塊固有缺陷引起 IGBT模塊失效的比例明顯較低，說明進口IGBT模塊工藝控制較好，固有可靠性水平較高。
1.與使用有關(guān)的失效
與使用有關(guān)的失效原因主要有過電應力損傷、靜電損傷、器件選型不當，使用線路設(shè)計不當，機械過應力、操作失誤等。
?。?）過電應力損傷。過電應力引起的燒毀失效占使用中失效IGBT模塊的絕大部分，它發(fā)生在IGBT模塊測試、篩選、電裝、調(diào)試、運行等各個階段，其具體原因多種多樣，常見的有多余物引起的橋接短路、地線、電源系統(tǒng)產(chǎn)生的電浪涌，烙鐵漏電，儀器或測試臺接地不當產(chǎn)生的感應浪涌等。按電應力的類型區(qū)分，有金屬橋接短路后形成的持續(xù)大電流型電應力，還有線圈反沖電動勢產(chǎn)生的瞬間大電流型電應力以及漏電、感應等引起的高壓小電流電應力；按器件的損傷機理區(qū)分，有外來過電應力直接造成的PN結(jié)、金屬化燒毀失效，還有外來過電應力損傷PN結(jié)或觸發(fā)CMOS 電路閂鎖后，引起電源電流增大而造成的燒毀失效。
?。?）靜電損傷。嚴格來說，IGBT模塊靜電損傷也屬于電過應力損傷，但是由于靜電型電過應力的特殊性，以及IGBT模塊的廣泛使用，使得該問題日漸突出。靜電型電過應力的特點是：電壓較高（幾百伏至幾萬伏），能量較小，瞬間電流較大，但持續(xù)時間極短。與一般的電過應力相比，靜電型損傷經(jīng)常發(fā)生在IGBT模塊運輸、傳送、電裝等非加電過程中，它對IGBT模塊的損傷過程是不知不覺的，危害性很大。從靜電對IGBT模塊損傷后的失效模式來看，不僅有PN結(jié)劣化擊穿，表面擊穿等高壓小電流型的失效模式，也有金屬化、多晶硅燒毀等大電流失效模式。
?。?）rGBT模塊選型不當。IGBT模塊選型不當也是引起失效的原因之一，主要是設(shè)計人員對IGBT模塊參數(shù)、性能了解不全面，考慮不周，選用的IGBT模塊在某些方面不能滿足所設(shè)計的電路要求。
?。?）作失誤。操作失誤也是IGBT模塊失效的原因之一，例如，IGBT模塊的極性接反引起的燒毀失效等。
2.IGBT模塊固有缺陷引起的失效
與IGBT模塊固有缺陷有關(guān)的失效原因主要有：表面問題、金屬化問題、壓焊絲鍵合問題、芯片鍵合問題、封裝問題、體內(nèi)缺陷等。在這幾種原因中，對IGBT模塊可靠性影響較大的是表面問題、芯片鍵合問題和芯片鍵合問題引起的失效，它們均帶有批次性，且經(jīng)常重復出現(xiàn)。
?。?）表面問題引起IGBT模塊失效。從可靠性方面考慮，對IGBT模塊影響最大的是二氧化硅層內(nèi)的可動正離子電荷，它會使IGBT模塊的擊穿電壓下降，漏電流增大，并且隨著加電時間的增加使IGBT模塊性能逐漸劣化，有這種缺陷的IGBT模塊用常規(guī)的篩選方法不能剔除，對可靠性危害很大。此外，芯片表面二氧化硅層中的針孔對IGBT模塊可靠性影響也較大，有這種缺陷的IGBT模塊，針孔剛開始時往往還有一層極薄的氧化層，IGBT模塊性能還是正常的，還可順利通過老煉、篩選等試驗，但長期使用后由于TDDB 效應和電浪涌的沖擊，針孔就會穿通短路，引起IGBT模塊失效。
（2）金屬化問題引起IGBT模塊失效的主要原因有臺階斷鋁、鋁腐蝕、金屬膜劃傷等，對于一次集成電路，臺階斷鋁、鋁腐蝕較為常見，對于二次集成電路來說，內(nèi)部金屬膜電阻在清洗擦拭時被劃傷而開路失效也是常見的失效模式之一。
（3）見的壓焊絲鍵合問題引起的失效有以下幾類。
1）壓焊絲端頭或壓焊點處沾污腐蝕造成壓焊點脫落或腐蝕開路。
2）外壓焊點下的金層附著不牢，造成壓焊點脫落。
3）焊點過壓焊，使壓焊絲頸部斷開造成開路失效。
4）三焊絲弧度不夠，與芯片表面夾角太小，容易與硅片棱或與鍵合絲下的金屬化鋁線相啞，造成器件失效。
?。?）最常見的芯片鍵合問題是芯片粘結(jié)的焊料太少、焊料氧化、燒結(jié)溫度過低等引起的開路現(xiàn)象。芯片鍵合不好，焊料氧化發(fā)黑，導致芯片在“磁成形”時受到機械應力作用后從底座抬起分離，造成開路失效。
?。?）封裝問題引起的失效，常見的有以下幾類。
1）裝不好，管殼漏氣，使水汽或腐蝕性物質(zhì)進入管殼內(nèi)部，引起壓焊絲和金屬化腐蝕。
2））管殼存在缺陷，使管腿開路、短路失效。
3）涂料龜裂、折斷鍵合鋁絲，造成IGBT模塊開路或瞬時開路失效，這種失效現(xiàn)象往往發(fā)生在器件進行高、低溫試驗時。
?。?）體內(nèi)缺陷引起失效。IGBT模塊體內(nèi)缺陷也可引起器件的結(jié)特性變差而失效，但這種失效并不多見，而經(jīng)常出現(xiàn)的是體內(nèi)缺陷引起器件二次擊穿耐量和閂鎖閾值電壓降低而造成燒毀。