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IGBT失效原因及保护方法

 新用户3930PYoP 2022-10-07 发布于新疆

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由(Bipolar Junction TransistorBJT)双极型三极管绝缘栅型场效应管Metal Oxide SemiconductorMOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管(Giant TransistorGTR)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。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。

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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。

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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、电容失效或漏电:从而引起IGBT损坏。经检查其他元件无问题的时候 ,更换0.3UF400V电容。 

2IGBT管激励电路异常:震荡电路输出的脉冲信号,不能直接控制IGBT饱和,导通和截止,必须通过激励脉冲信号放大来完成。

3、同步电路异常:同步电路的主要作用是保证加到IGBTG级上的开关脉冲前言与IGBT管上VCE脉冲后延同步当同步电路工作出现异样,导致IGBT管瞬间击穿。 

4、工作电压异常:电压出现异常时,会使IGBT管激励电路,风扇散热系统及LM339工作失常导致IGBT上电瞬间损坏。

5、散热系统异常:在大电流状态下其发热量也大,如果散热系统出现异常,会导致IGBT过热损坏。 

6、单片机异常:单片机内部会因为工作频率异常而烧毁IGBT 

7VCE检测电路异常:VCE检测将IGBT官集电极上的脉冲电压通过,电阻分压,此电压的信息变化传到CPU,做出各种相应的指令。当VCE检测电路出现故障的时候,VEC脉冲幅度。超过IGBT管的极限值,从而导致IGBT损坏。

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IGBT短路分类

通过上面分析,大家应该知道过流和短路的区别了,下面我们从IGBT视角分析几种常见的短路故障类型。

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2 IGBT短路故障类型

IGBT开通瞬态发生的短路行为(SC 1):IGBT开通(门极电压由负压转为正压的过程中)导致的短路故障,也就是IGBT在开通之前,系统没有发生短路故障。

 IGBT通态过程发生的短路行为(SC 2):IGBT在导通过程中(门极保持正压开通),且正向导通电流时,由于外部原因导致的器件电流突然增大行为。

 IGBT通态过程发生的短路行为(SC 3),IGBT在导通过程中(门极保持正压开通),且内部续流二极管正向导通电流时,这时由于外部原因导致的器件电流突然增大行为。

4、过电压造成集电极、发射极击穿或造成栅极、发射极击穿。

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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

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