IGBT失效原因及保护方法

关注公众号，点击公众号主页右上角“ · · · ”，设置星标，实时关注功率半导体生态圈最新资讯

来源：深华颖半导体

01

关于 IGBT

IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）双极型三极管和绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管（Giant Transistor，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。但仍无法抵抗来自外界的干扰和自身系统引起的各种失效问题。

02

IGBT 失效场合、机理、原因

IGBT失效场合：

来自系统内部: 如电力系统分布的杂散电感、电机感应电动势、负载突变都会引起过电压和过电流；

来自系统外部: 如电网波动、电力线感应、浪涌等。

归根结底，IGBT失效主要是由集电极和发射极的过压/过流和栅极的过压/过流引起。

IGBT失效机理：

IGBT由于上述原因发生短路，将产生很大的瞬态电流——在关断时电流变化率di/dt过大。漏感及引线电感的存在，将导致IGBT集电极过电压，而在器件内部产生擎住效应，使IGBT锁定失效。同时，较高的过电压会使IGBT击穿。IGBT由于上述原因进入放大区，使管子开关损耗增大。

IGBT传统防失效机理：

尽量减少主电路的布线电感量和电容量，以此来减小关断过电压；在集电极和发射极之间，放置续流二极管，并接RC电路和RCD电路等；在栅极，根据电路容量合理选择串接阻抗，并接稳压二极管防止栅极过电压。

引起IGBT失效的原因：

1、电容失效或漏电：

从而引起IGBT损坏。经检查其他元件无问题的时候 ，更换0.3UF和400V电容。

2、IGBT管激励电路异常：

震荡电路输出的脉冲信号，不能直接控制IGBT饱和，导通和截止，必须通过激励脉冲信号放大来完成。

3、同步电路异常：

同步电路的主要作用是保证加到IGBT管G级上的开关脉冲前沿与IGBT管上VCE脉冲后延同步当同步电路工作出现异样，导致IGBT管瞬间击穿。

4、工作电压异常：

电压出现异常时，会使IGBT管激励电路，风扇散热系统及LM339工作失常导致IGBT上电瞬间损坏。

5、散热系统异常：

在大电流状态下其发热量也大，如果散热系统出现异常，会导致IGBT过热损坏。

6、单片机异常：

单片机内部会因为工作频率异常而烧毁IGBT。

7、VCE检测电路异常：

VCE检测将IGBT管集电极上的脉冲电压通过，电阻分压，此电压的信息变化传到CPU，做出各种相应的指令。当VCE检测电路出现故障的时候，VEC脉冲幅度。超过IGBT管的极限值，从而导致IGBT损坏。

03

IGBT 短路分类

通过上面分析，大家应该知道过流和短路的区别了，下面我们从IGBT视角分析几种常见的短路故障类型。

IGBT短路故障类型

1. IGBT开通瞬态发生的短路行为（SC 1）：

IGBT开通（门极电压由负压转为正压的过程中）导致的短路故障，也就是IGBT在开通之前，系统没有发生短路故障。

2. IGBT通态过程发生的短路行为（SC 2）：

IGBT在导通过程中（门极保持正压开通），且正向导通电流时，由于外部原因导致的器件电流突然增大行为。

3.IGBT通态过程发生的短路行为（SC 3）:

IGBT在导通过程中（门极保持正压开通），且内部续流二极管正向导通电流时，这时由于外部原因导致的器件电流突然增大行为。

4.过电压造成集电极、发射极击穿或造成栅极、发射极击穿。

04

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、立即关断驱动信号

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、先减小栅压后关断驱动信号

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，长允许过流时间。当IGBT关断时，di/dt也减小。限制过电流幅值.

【免责声明】文章为作者独立观点，不代表功率半导体生态圈。如因作品内容、版权等存在问题，请于本文刊发30日内联系功率半导体生态圈进行删除或洽谈版权使用事宜。