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IGBT管损坏的原因分析

作者:佚名  来源:本站整理  发布时间:2013-01-16 14:30:54  [去论坛]  [去网店]

  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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