IGBT失效时参数变化规律

IGBT失效时参数变化规律

作者：微叶科技 时间：2015-12-03 18:03

1 过电压失效 1．1栅极过压
  IGBT的栅极-发射极驱动电压的保证值为正负20v，如果在它栅极和发射极之间加上超过保证值的电压，则可能损坏IGBT，另外，如IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在栅极电位升高，集电极-发射极有电流流过。这时如集电极和发射极间处于高压状态，可能会使IGBT发热甚至损坏。
1． 2 集电极-发射极过电压
IGBT集电极-发射极过电压的产生主要有两种情况：一是施加到IGBT的集电极-发射极间的直流电压过高，另一种是集电极-发射极间的浪涌电压过高。所以实际使用过程要综合考虑。
1．3 杂散电感过电压
     因为电路中杂散电感的存在，而IGBT的开关频率较高，当IGBT关断时与开通时，就会产生很大的电压，威胁到IGBT的安全如图1-1所示出了IGBT的杂散电感和杂散电容。IGBT的外部电感L主要是指IGBT直流侧电感，可算得L对加在IGBT集射电压的影响为：

IGBT杂散电感和杂散电容的示意图

其中Ud为直流电压电容，di/dt为IGBT的电流变化率。
杂散电感L产生的电压叠加在Ud上，IGBT内部是集成电路芯片，耐压能力非常有限，如L产生的电压较大，超出IGBT的集电极-发射极间耐压值Uces，产生的过电压能轻易地将IGBT击穿。图1-2为IGBT的过电压波形示意图。

IGBT过电压示意图形

IGBT在关断时，由于电路中存在电感，关断瞬间产生尖峰电压，假如电压超过额器件的最高的峰值电压，将可能造成IGBT击穿。
2 静电损伤
严格来说，器件静电损伤也属于过电压应力损伤，静电型过电应力的特点是：电压较高，能力较小，瞬间电流较大，但持续的时间极短，与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。从静电对器件损伤后的失效模式来看，不仅有PN结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。
3 过热损伤
过热损坏一般是指使用IGBT的结温Tj超过晶片的最大温度限定，目前的IGBT器件还是以Tmax=150℃的NPT技术为主流的，为此在IGBT应用中其结温应限制在该值一下。
4 过电流
 4．1 擎住效应
     由于IGBT是复合器件，其体内存在一个寄生晶闸管，在NPN管的基极和发射极之间存在一个体驱短路电阻R，在规定的漏极电流范围内，P型体区的横向空穴流会产生一定的压降，对J3结而言相对于一个正偏置电压。在规定的漏记电流范围内，NPN晶体管的正编压不足以使NPN和PNP管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，栅极失去控制作用，便发生了锁定效应，它使集电极电流Ic增大，进而造成过高的功耗而导致IGBT器件的损坏。
4．2 长时间过流运行
IGBT长时间过流运行是指IGBT的运行指标达到或超过反向偏置运行安全工作区所限定的电流安全边界，这导致IGBT因为长时间过电流而发热损坏。
4．3 短路
IGBT所承受的电流值达到或超过短路安全工作区所限定的最大边界，如4-5倍额定电流时须在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必须在更短时间内被关断。
IGBT的短路主要有两种:
1.     IGBT从断态直接进入短路状态。在短路开始时，集电极和发射极之间的电压是直流母线电压。在集电极电流上升过程中，由于短路寄生电感上的电压，集电极=发射极有微小的减少。当集电极电流达到稳态时，集电极-发射极又等于直流母线电压，因此，集电极=发射极电压在整个短路期间都很大，等于直流母线电压。
2.     IGBT从正常导通状态进入短路，由于短路的电流迅速上升，IGBT退出饱和状态。集电极-发射极的上升产生流过米勒电容Cge的电流Igc，这个电流在关断电阻上产生压降，导致IGBT的栅极电压在短路瞬间升高，使短路电流在栅极电压回落到正常值之前出现很大的尖峰。

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