IGBT模块损坏的原因

王栋春

IGBT是一种功率半导体器件，在使用过程中经常受到容性或感性负载的冲击，可能导致IGBT的损坏。那么造成IGBT模块损坏的原因是什么呢?

(1)过电流损坏

①锁定效应。 IGBT为复合器件，其内有一个寄生晶闸管，在规定的漏极电流范围内，NPN的正偏压不足以使NPN晶体管导通，当漏极电流大到一定程度时，这个正偏压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN或PNP晶体管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，栅极失去了控制作用，便发生了锁定效应。IGBT发生锁定效应后，集电极电流过大，造成了过高的功耗而导致器件损坏。

②长时间过流运行。IGBT模块长时间过流运行是指IGBT的运行指标达到或超出RBSOA(反偏安全工作区)所限定的电流安全边界(如选型失误、安全系数偏小等)，出现这种情况时，电路必须能在电流到达RBSOA限定边界前立即关断器件，才能达到保护器件的目的。

③短路超时(>10us)。短路超时是指IGBT所承受的电流值达到或超出SCSOA(短路安全工作区)所限定的最大边界，比如4-5倍额定电流时，必须在10us之内关断IGBT。如果此时IGBT所承受的最大电压也超过器件标称值， IGBT必须在更短的时间内被关断。

(2)过电压损坏和静电损坏

IGBT在关断时，由于逆变电路中存在电感成分，关断瞬间产生尖峰电压，如果尖峰电压超过IGBT器件的最高峰值电压，将造成IGBT击穿损坏。IGBT过电压损坏可分为集电极-栅极过电压、栅极-发射极过电压、高du/dt过压电等。大多数过电压保护的电路设计都比较完善，但是对于由高du/dt所导致的过电压故障，基本上都是采用无感电容或者RCD结构吸收电路。由于吸收电路设计的吸收容量不够而造成IGBT损坏，对此可采用电压钳位，往往在集电极-栅极两端并接齐纳二极管，采用栅极电压动态控制，当集电极电压瞬间超过齐纳二极管的钳位电压时，超出的电压将叠加在栅极上(米勒效应起作用)，避免了IGBT因受集电极发射极过电压而损坏。

采用栅极电压动态控制可以解决过高的du/dt带来的集电极发射极瞬间过电压问题，但是它的弊端是当IGBT处于感性负载运行时，半桥结构中处于关断的IGBT，由于其反并联二极管(续流二极管)的恢复，其集电极-发射极两端的电压急剧上升，从而承受瞬间很高的du/dt。多数情况下，该du/dt值要比IGBT正常关断时的集电极-发射极电压上升率高，由于米勒电容( Cres)的存在，该du/dt值将在集电极和栅极之间产生一个瞬间电流，流向栅极驱动电路。该电流与栅极电路的阻抗相互作用，直接导致栅极-发射极电压UGE值的升高，甚至超过IGBT的开通门限电压UGE(th)值。出现恶劣的情况就是使IGBT被误触发导通，导致变换器的桥臂短路。

(3)过热损坏

过热损坏一般指使用中IGBT模块的结温正超过晶片的最大温度限定，目前应用的IGBT器件还是以Tjmax=150℃的NPT技术为主流的，为此在IGBT模块应用中其结温应限制在该值以下。

激光测距

我亲身经历炸了两个变频器，就是因为对地短路超时引起的！