IGBT管损坏的原因分析

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IGBT管损坏的原因分析

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　　IGBT管在使用过程中，经常受到容性或感性负载的冲击，发生过负荷甚至负载短路等，可能导致IGBT管损坏。IGBT管在使用时的损坏原因主要有以下几种情况：

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

　　②长时间过流运行。IGBT管长时间过流运行是指IGBT管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(＞10μs)。短路超时是指IGBT管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，比如为4～5倍额定电流时，必须在10μs之内关断IGBT管。如果此时IGBT管所承受的最大电压也超过器件标称值，IGBT管必须在更短时间内被关断。

　　(2)过电压损坏和静电损坏
　　
　　IGBT管在关断时，由于电路中存在电感成分，关断瞬间将产生尖峰电压。如果尖峰电压超过IGBT管器件的最高峰值电压，将造成IGBT管击穿损坏。IGBT管过电压损坏可分为集电极一栅极过电压、栅极一发射极过电压、高du/dt过电压等。

　　大多数过电压保护电路的设计都比较完善，但是对于由高du/dt所致的过电压故障，在设计中基本上都是采用无感电容或者RCD结构的吸收电路。由于吸收电路设计的吸收容量不够，会造成IGBT管损坏，对此可采用电压钳位，往往在集电极和栅极两端并接齐纳二极管（推荐使用美国Diodes公司的1.5KE××A产品系列），采用栅极电压动态控制方式。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管因受集电极一发射极过电压而损坏。

　　采用栅极电压动态控制可以解决由于过高的du/dt带来的集电极一发射极瞬间过电压问题，但是它的弊端是：当IGBT管处于感性负载运行状态时，关断的IGBT管由于其反并联二极管（续流二极管）的恢复，其集电极和发射极两端的电压急剧上升，承受很高的瞬间du/dt。在多数情况下该du/dt值要比IGBT管正常关断时的集电极一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，直接导致栅极一发射极电压UGE升高，甚至超过IGBT管的开通门限电压UGEth，出现的恶劣情况就是使IGBT管被误触发导通。

　　(3)过热损坏
　　
　　过热损坏一般指使用中IGBT管的结温Tj超过芯片的最大温度限定值。目前应用的IGBT管器件还是以Tjmax=150℃的NPT技术为主流的，为此在IGBT管模块应用中其结温应限制在该值以下。

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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

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IGBT在使用时的损坏原因主要有以下几种情况：
　　①过电流损坏;
　　IGBT有一定抗过电流能力，但必须注意防止过电流损坏。IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管，所以有擎住效应。一个IGBT的等效电路，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和PNP晶体管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，门极失去了控制作用，便发生了擎住效应。IGBT发生擎住效应后，漏极电流过大造成了过高的功耗，最后导致器件的损坏。
　　②过电压损坏;
　　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，如果尖峰电压过压则可能造成IGBT击穿损坏。
　　③桥臂共导损坏;
　　④过热损坏和静电损坏。