IGBT 模块损坏的原因

2019-01-02 11:07:02 Westpac Electronics

IGBT 模块损坏的原因

IGBT 在使用过程中经常受到容性或感性负载的冲击,承受过负荷甚至负载短 路等,可能导致 IGBT 损坏。IGBT 模块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 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 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°C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。


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