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真正了解IGBT 模块损坏的原因

日期:2017年3月13日
    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 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。

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