IGBT失效原因分析

IGBT失效原因分析

引起IGBT失效的原因有：

1） 过热损坏集电极电流过大引起的瞬时过热及其它原因，如散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯 片的热容量小，其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度(约250℃)，器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。实际运行时，一般最高允许的工作温度为130℃左右。

2)超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。IGBT为PNPN4层结构，其等效电路如图1所示。体内存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs，P 型体内的横向空穴电流在Rs上会产生一定的电压降，对NPN基极来说，相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大，对NPN 晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到一定程度时，该正向电压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是，寄生晶闸管导 通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主 要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，流过Rs，产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁。

[2][1]

3)瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。

4）过电压造成集电极 发射极击穿。

5）过电压造成栅极 发射极击穿。整流拉逆变式组合保护方案

IGBT保护方法

当过流情况出现时，IGBT必须维持在短路安全工作区（SCSOA）内。IGBT承受短路的时间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切关系。为了防止由于短路故障造成IGBT损坏，必须有完善的故障检测与保护环节。一般的检测方法分为电流传感器和IGBT欠饱和式保护。

1）封锁驱动信号

在 逆变电源的负载过大或输出短路的情况下，通过逆变桥输入直流母线上的电流传感器进行检测。当检测电流值超过设定的阈值时，保护动作封锁所有桥臂的驱动信 号。这种保护方法最直接，但吸收电路和箝位电路必须经特别设计，使其适用于短路情况。这种方法的缺点是会造成IGBT关断时承受应力过大，特别是在关断感 性超大电流时，必须注意擎住效应。

2）减小栅压

IGBT的短路电流和栅压有密切关系，栅压越高，短路时电流就越大。在短路或瞬态过流情况下若能在瞬间将vGS分步减少或斜坡减少，这样短路电流便会减小下来，当IGBT关断时，di/dt也减小。集成驱动电路如EXB841或M579xx系列都有检测vCES电路，当发现欠饱和时，栅压箝位到10V左右，增大vCES，限制过电流幅值，延长允许过流时间。短路允许时间tsc和短路电流Isc同栅极电压vG的关系如图2所示。

整流拉逆变式组合保护方案

3．1逆变部分保护

本 设计逆变器为半桥式结构，串联谐振负载，驱动采用IR公司的IR2110半桥驱动芯片。IR2110电路简单，成本低，适用于中大功率IGBT，实验结果 也验证了IR2110驱动中大功率IGBT的可行性。IR2110芯片有一个封锁两路驱动的SD输入端，当此引脚为高电平时，立刻封锁两路输出，如图3所 示。

电压型逆变器引起短路故障的原因有：

1）直通短路桥臂中某一个器件（包括反并二极管）损坏；或由于控制电路，驱动电路的故障，以及干扰引起驱动电路误触发，造成一个桥臂中两个IGBT同时开通。

2）负载电路短路在某些升压变压器输出场合，副边短路的情况。

3）逆变器输出直接短路

图4 给出了保护电路框图。直通保护电路必须有非常快的速度，在一般情况下，如果IGBT的额定参数选择合理，10μs之内的过流就不会损坏器件，所以必须在这 个时间内关断IGBT。母线电流检测用霍尔传感器，响应速度快，是短路保护检测的最佳选择。比较器用LM319，检测值与设定值比较，一旦超过，马上输出 保护信号封锁驱动。同时用触发器构成记忆锁定保护电路，以避免保护电路在过流时的频繁动作。外接的复位电路也不可缺少。

3．2整流部分保护

对 于大功率电压型逆变器，为了改善进线电流波形，一般在直流母线上串有滤波电感，如图5所示。由于电感的存在，当逆变电路一旦停止工作，如果整流电路仍处在 整流状态，则电感中的能量将向电容释放，在逆变保护动作瞬间电容将承受一个很高的过冲电压，若不采取措施，可能会直接导致电容过压损坏。尤其在负载电流很 高，L中储能很大时，更加危险。

假设逆变关断时滤波电感中的电流全部从电容C中流过，同时整流器继续输出电压Ud。图6给出了等效电路，L与C串联谐振，由于整流桥电流只能单向流通，所以振荡到T/4时结束。

可见在谐振到1/4周期时，电容上的电压达到最大值，之后谐振停止。

电 容上最后电压与母线电流，电感及电容有关。在我们试验用的10kW样机中，直流母线电压200V时让逆变瞬间在保护信号下关断，母线电压突然上升到近 450V。针对此种现象，采用在保护动作的同时将整流电路拉到逆变工作状态(触发角α拉到约150°)，使滤波电感中的能量大部分回馈到电网。

在 实际应用中，由于驱动电路的故障导致上下桥臂IGBT直通的可能性很小。鉴于此，也可以采用单一的整流部分拉逆变的保护方法。对于像负载过流或短路，都能 在IGBT允许的短路电流时间内将整个装置的工作停下来。这种保护方法并不直接针对IGBT，而是将前级整流输入关断，故障时IGBT仍处于工作状态。

这 属于“软保护”，对IGBT没有应力冲击，同时也可以避免在大电流下瞬间关断可能导致IGBT超出关断安全工作区而处于擎住状态。

实验结果

这 种保护方案已成功地应用于大功率高频高压电压型串联谐振逆变器中，中压输出经升压变压器升到6kV，用于材料电晕处理。样机输出功率约10kW。由于负载 是高压电晕处理器，升压变压器内部容易发生原、副边击穿现象。试验中发现，不论对于负载短路，变压器击穿引起的过流，还是输入电压过高引起的过流都能很好 地保护逆变器不受损坏。

结论

IGBT是逆变器中最容易损坏的部分，特别是对于电压型可控整流电路。在对IGBT直通保护时还要考虑到关断逆变器对前级电路的影响。本文所介绍的整流逆变同时保护的方案可以可靠保护整个逆变器，并在实践中取得了良好的效果。

IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般只能达到20～30V，因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极-集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用绞线来传送驱动信号，以减小寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

由于IGBT的栅极-发射极和栅极-集电极间存在着分布电容Cge和Cgc，以及发射极驱动电路中存在有分布电感Le，这些分布参数的影响,使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同，并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。这可以用带续流二极管的电感负载电路（见图1）得到验证。 使用中的注意事项

由于 …… 此处隐藏：2907字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……