IGBT失效的原因与IGBT保护方法分析

电路

IGBT的使用方法

IGBT绝缘栅双极型晶体管是一种典型的双极MOS复合型功率器件。它结合功率MOSFET的工艺技术，将功率MOSFET和功率管GTR集成在同一个芯片中。该器件具有开关频率高、输入阻抗较大、热稳定性好、驱动电路简单、低饱和电压及大电流等特性，目前，在使用和设计IGBT的过程中，基本上都是采用粗放式的设计模式——所需余量较大，系统庞大，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。

　　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、过热容易损坏集电极，电流过大引起的瞬时过热及其主要原因，是因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，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。实际应用时，一般最高允许的工作温度为125℃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PNPN 4层结构，因体内存在一个寄生晶闸管，当集电极电流增大到一定程度时，则能使寄生晶闸管导通，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，也能造成寄生晶闸管自锁。

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、发射极击穿或造成栅极、发射极击穿。

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。