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IGBT典型失效现象及分析
1、温度上升对IGBT参数的影响
温度上升包含两个意思：一是IGBT中的电磁场能量转化为热能，主要由于器件中的电阻热效应；一是器件发热与外部冷却之间的相互作用，发生的热量如果不能及时散发出去，即散发能力不够，则使温度上升。
温度上升，IGBT中的两个晶体管的放大系数α1和α2均增大，该两个晶体管构成一个寄生晶闸管。借助于IGBT等效电路图（图3），开通过程为：当给栅极加压Vg，产生Ig，则MOSFET开通，产生I1，I1为PNP的基极电流，开通PNP，产生I2，I2为NPN提供基极电流，产生I3，使整个IGBT全面开通。I1、I2和I3构成IGBT开通后的全部电流，其中I2为主要部分。当温度上升，α1和α2上升，使α1＋α2→1，将使寄生晶闸管出现“闭锁效应”，而使IGBT一直导通，即使Vg去掉，I1=0,由于该闭锁效应，PNPN导通，开关失效。因此，温度上升， 增加，使得重复开断的通态电流下降。图4为SKM600GB126D 型IGBT的通态电流IC随温度变化的曲线【5】。从图中可以看到，随温度升高，电流下降，且在800C之后，电流下降非常迅速。
图4 IGBT（SKM600GB126D）温度－电流曲线（略）
在一台实际的160kW三电平变频器中，温升试验中发生的IGBT失效现象说明该问题：该变频器所选的IGBT型号为SKM600GB126D，工频下重复可关断电流为600A。该变频器起动后，带满载运行，额定电流为315A。起动稳定后的50分钟运行一切正常，随着运行时间的增加，IGBT壳温从300C上升到1200C，装置发生过流保护。分析其原因：当IGBT壳温达到1200C以后，最大重复可关断电流值发生变化（约为250A），驱动开关发生失效，直流母排中点电压平衡破坏，造成直通过流，器件保护。一般解决该问题的主要措施有：
（1）减小器件的发热，选择适当的IGBT参数；
（2）加强散热，主要从冷却结构和方式中寻找最优结构和方式；
（3）降低开关频率，在开关频率为1k以上，开关损耗超过总损耗的一半；
（4）缩短开通和关断时间，也是为了减小开关损耗，但要注意，di/dt和 dv/dt的升高，引起另外的器件失效机理；
（5）降低谐波分量。谐波分量不转化为有功，但增加器件内部电阻损耗。
2、输入电压升高，开关器件保护，PWM脉冲失效，中点电压平衡破坏
仍以上面的160kW、380V低压三电平变频器为例，其调制采用SVPWM方法，开环VVVF控制，驱动一台160kW的异步电机。当输入电压为300V以下时，起动运行都没有问题，中点电压平衡很好。但输入电压升至350V或者380V时，则电机起动不起来，IGBT发生保护，中点电压偏离，严重时烧坏器件。
事实上，当起动电机时，电机速度为零。电机反电势为零，其等效电路图如图5所示。其中R为回路电阻，L1为回路漏电感，Lr为电机电枢电感（可变，与电机反电势相对应），V为电源。Lr为零，而R与L1很小，此时回路电流基本为短路电流，数值很大，且该数值取决于电源电压。输入电源电压越高，则短路电流越大。该大电流使得di/dt、dv/dt均增大，直至超过IGBT的承受值，使得IGBT保护，驱动脉冲失效，打破了中点平衡开关序列规律，而使中点电压发生偏离。从能量的角度来看，此时输出的机械能受阻，输入电磁能在变频器内部吸收，尤其在IGBT内部转化，轻则使得器件保护，重则器件烧坏。此时电磁能与机械能转化不合理，电流中的有功和无功分量不合理。
图5 变频调速系统等效电路图（略）
有效的解决方法主要包括：
（1）增加有效预励磁，减小起动电流，提高启动转矩，使电流有功分量和无功分量分配合理；
（2）设定低频启动，延长起动时间，使得di/dt和dv/dt降低；
（3）减小v/f补偿值，适当减小占空比，起动力矩也随之有效减小；
（4）在母排上加一起动限流器，以减小di/dt，正常运行时再切除掉。
3、驱动功率不够，PWM脉冲失效，中点平衡破坏
当驱动电压脉冲Vg没有足够的值，或者即使达到了阈值，但持续的时间太短，其波形如图6所示，导致IGBT不能有效的打开，而使IGBT开关顺序破坏,致使中点电压偏离，最后导致器件过压保护，严重时器件击穿。
分析其原因主要有三：
（1）驱动电源本身能力不够，驱动电压和尖峰电流都达不到要求，或者其中之一达不到要求，导致驱动电压、电荷不到位；
（2）驱动回路延时过大（电阻或电容过大），使驱动电压上升太慢，所需时间大于最小脉宽时间，导致IGBT远没有完全打开就执行关断指令，IGBT没有实现开通；
（2）驱动电源质量不好，电压本身有波动，或者受外部dv/dt和di/dt的干扰，导致驱动电压本身变化，而使驱动脉冲失效；
（3）驱动输出与IGBT门极连线过长，且没有屏蔽，导致电磁干扰在该传输线上破坏驱动脉冲，致使驱动失效。
图6 驱动脉冲序列（略）
驱动是一种功率放大的过程，驱动信号将信号流与能量流有机结合。驱动本身亦是一种能量转换过程，一方面驱动本身有一个能量是否足够的问题，另一方面有一个转换时间的问题，同时本身的能源是否可靠也是问题。IGBT是一个驱动MOS场控型器件，控制的关键是沟道反型。开通时要求适当快，沟道足够宽，关断时亦要适当快、关闭严。对于IGBT，关断时电压Vg可到负值，以便深度关断，同时起抗干扰作用。另外，IGBT的导通电阻受栅压调制，可用于IGBT的过电流保护。如测试到一定的过流信号，立刻把驱动电压Vg减小一半，使得IGBT通态电阻增大，抑制电流；当过流消失后，再恢复栅极电压正常值，若持续过大电流，则采取相应保护动作。主要解决措施有：
（1）加强驱动功率，实施强驱动，以加快导通区的横向扩大速率和增加初始导通区的面积，前沿要陡，以满足最大驱动电流要求；
（2）选择适当的驱动回路的电阻Rs和电容Cs，使其时间常数适中，延时不大于最小脉宽时间，同时又不能太快，以致dv/dt过大；
（3）保证驱动电源的质量，稳压稳流，减小电磁干扰影响；
（4）利用IGBT的正导作用，有效实施调节Vg的二次导通功能，以达到主动保护效果。
4、di/dt与dv/dt过大导致器件失效
160kW三电平变频器中，IGBT开通时和通态时，发现有时di/dt毛刺很大，达到1000A/us，引起IGBT过压而保护，PWM失效，中点电压偏离，变频器不能工作，严重时烧坏管子，另外在关断时发现有时dv/dt毛刺大，引起IGBT误导通。该变频器的di/dt和dv/dt典型试验波形如图7(a)和(b)所示。
图7 di/dt和dv/dt试验波形（略）
di/dt过大，意味着集电极电流上升很快，它将引起束流效应，即在IGBT中产生实际的局部电流密度过高而发热，致使局部热损坏。dv/dt与结电容CJ构成移位电流，相当于器件的触发信号，引起α增大，在一定条件下产生误触发，致使IGBT失效。di/dt和dv/dt过大本质上都是能量变化太快，如果引导不好，则产生能量过于集中而产生破坏。L和C在电路中都起一个储存能量和缓冲变化的作用，各种缓冲吸收及软开关电路，均为对LC在电路回路中的合理应用。如果回路中L太小，则电流变化快，IGBT导通面积来不及扩展，产生束流效应，致使局部过热损坏；如果回路中C太小，则电压变化快有可能产生浪涌电流而击穿器件。有效的改善di/dt和dv/dt过大的有效措施包括：
（1）选择适当的开关频率，使di/dt和dv/dt限制在器件的承受范围内；
（2）尽可能选取耐di/dt和dv/dt髙的开关器件；
（3）采取强、尖脉冲触发，前沿一定要陡，使初始导通面积尽可能大；
（4）大容量使用中，采用限流饱和电抗器和维持脉冲相结合的办法来降低di/dt；
（5）外加并联电容，以吸收器件内的移位电流，减小dv/dt；
（6）外加RCD电路，以同时降低di/dt和dv/dt；
（7）增大驱动电路上的时间常数，减少开通和关断时间，降低di/dt和dv/dt；
（8）小容量变频器上可在IGBT集电极套磁环，以减小di/dt。
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1、温度上升对IGBT参数的影响
温度上升包含两个意思：一是IGBT中的电磁场能量转化为热能，主要由于器件中的电阻热效应；一是器件发热与外部冷却之间的相互作用，发生的热量如果不能及时散发出去，即散发能力不够，则使温度上升。
温度上升，IGBT中的两个晶体管的放大系数α1和α2均增大，该两个晶体管构成一个寄生晶闸管。借助于IGBT等效电路图（图3），开通过程为：当给栅极加压Vg，产生Ig，则MOSFET开通，产生I1，I1为PNP的基极电流，开通PNP，产生I2，I2为NPN提供基极电流，产生I3，使整个IGBT全面开通。I1、I2和I3构成IGBT开通后的全部电流，其中I2为主要部分。当温度上升，α1和α2上升，使α1＋α2→1，将使寄生晶闸管出现“闭锁效应”，而使IGBT一直导通，即使Vg去掉，I1=0,由于该闭锁效应，PNPN导通，开关失效。因此，温度上升， 增加，使得重复开断的通态电流下降。图4为SKM600GB126D 型IGBT的通态电流IC随温度变化的曲线【5】。从图中可以看到，随温度升高，电流下降，且在800C之后，电流下降非常迅速。
图4 IGBT（SKM600GB126D）温度－电流曲线（略）
在一台实际的160kW三电平变频器中，温升试验中发生的IGBT失效现象说明该问题：该变频器所选的IGBT型号为SKM600GB126D，工频下重复可关断电流为600A。该变频器起动后，带满载运行，额定电流为315A。起动稳定后的50分钟运行一切正常，随着运行时间的增加，IGBT壳温从300C上升到1200C，装置发生过流保护。分析其原因：当IGBT壳温达到1200C以后，最大重复可关断电流值发生变化（约为250A），驱动开关发生失效，直流母排中点电压平衡破坏，造成直通过流，器件保护。一般解决该问题的主要措施有：
（1）减小器件的发热，选择适当的IGBT参数；
（2）加强散热，主要从冷却结构和方式中寻找最优结构和方式；
（3）降低开关频率，在开关频率为1k以上，开关损耗超过总损耗的一半；
（4）缩短开通和关断时间，也是为了减小开关损耗，但要注意，di/dt和 dv/dt的升高，引起另外的器件失效机理；
（5）降低谐波分量。谐波分量不转化为有功，但增加器件内部电阻损耗。
2、输入电压升高，开关器件保护，PWM脉冲失效，中点电压平衡破坏
仍以上面的160kW、380V低压三电平变频器为例，其调制采用SVPWM方法，开环VVVF控制，驱动一台160kW的异步电机。当输入电压为300V以下时，起动运行都没有问题，中点电压平衡很好。但输入电压升至350V或者380V时，则电机起动不起来，IGBT发生保护，中点电压偏离，严重时烧坏器件。
事实上，当起动电机时，电机速度为零。电机反电势为零，其等效电路图如图5所示。其中R为回路电阻，L1为回路漏电感，Lr为电机电枢电感（可变，与电机反电势相对应），V为电源。Lr为零，而R与L1很小，此时回路电流基本为短路电流，数值很大，且该数值取决于电源电压。输入电源电压越高，则短路电流越大。该大电流使得di/dt、dv/dt均增大，直至超过IGBT的承受值，使得IGBT保护，驱动脉冲失效，打破了中点平衡开关序列规律，而使中点电压发生偏离。从能量的角度来看，此时输出的机械能受阻，输入电磁能在变频器内部吸收，尤其在IGBT内部转化，轻则使得器件保护，重则器件烧坏。此时电磁能与机械能转化不合理，电流中的有功和无功分量不合理。
图5 变频调速系统等效电路图（略）
有效的解决方法主要包括：
（1）增加有效预励磁，减小起动电流，提高启动转矩，使电流有功分量和无功分量分配合理；
（2）设定低频启动，延长起动时间，使得di/dt和dv/dt降低；
（3）减小v/f补偿值，适当减小占空比，起动力矩也随之有效减小；
（4）在母排上加一起动限流器，以减小di/dt，正常运行时再切除掉。
3、驱动功率不够，PWM脉冲失效，中点平衡破坏
当驱动电压脉冲Vg没有足够的值，或者即使达到了阈值，但持续的时间太短，其波形如图6所示，导致IGBT不能有效的打开，而使IGBT开关顺序破坏,致使中点电压偏离，最后导致器件过压保护，严重时器件击穿。
分析其原因主要有三：
（1）驱动电源本身能力不够，驱动电压和尖峰电流都达不到要求，或者其中之一达不到要求，导致驱动电压、电荷不到位；
（2）驱动回路延时过大（电阻或电容过大），使驱动电压上升太慢，所需时间大于最小脉宽时间，导致IGBT远没有完全打开就执行关断指令，IGBT没有实现开通；
（2）驱动电源质量不好，电压本身有波动，或者受外部dv/dt和di/dt的干扰，导致驱动电压本身变化，而使驱动脉冲失效；
（3）驱动输出与IGBT门极连线过长，且没有屏蔽，导致电磁干扰在该传输线上破坏驱动脉冲，致使驱动失效。
图6 驱动脉冲序列（略）
驱动是一种功率放大的过程，驱动信号将信号流与能量流有机结合。驱动本身亦是一种能量转换过程，一方面驱动本身有一个能量是否足够的问题，另一方面有一个转换时间的问题，同时本身的能源是否可靠也是问题。IGBT是一个驱动MOS场控型器件，控制的关键是沟道反型。开通时要求适当快，沟道足够宽，关断时亦要适当快、关闭严。对于IGBT，关断时电压Vg可到负值，以便深度关断，同时起抗干扰作用。另外，IGBT的导通电阻受栅压调制，可用于IGBT的过电流保护。如测试到一定的过流信号，立刻把驱动电压Vg减小一半，使得IGBT通态电阻增大，抑制电流；当过流消失后，再恢复栅极电压正常值，若持续过大电流，则采取相应保护动作。主要解决措施有：
（1）加强驱动功率，实施强驱动，以加快导通区的横向扩大速率和增加初始导通区的面积，前沿要陡，以满足最大驱动电流要求；
（2）选择适当的驱动回路的电阻Rs和电容Cs，使其时间常数适中，延时不大于最小脉宽时间，同时又不能太快，以致dv/dt过大；
（3）保证驱动电源的质量，稳压稳流，减小电磁干扰影响；
（4）利用IGBT的正导作用，有效实施调节Vg的二次导通功能，以达到主动保护效果。
4、di/dt与dv/dt过大导致器件失效
160kW三电平变频器中，IGBT开通时和通态时，发现有时di/dt毛刺很大，达到1000A/us，引起IGBT过压而保护，PWM失效，中点电压偏离，变频器不能工作，严重时烧坏管子，另外在关断时发现有时dv/dt毛刺大，引起IGBT误导通。该变频器的di/dt和dv/dt典型试验波形如图7(a)和(b)所示。
图7 di/dt和dv/dt试验波形（略）
di/dt过大，意味着集电极电流上升很快，它将引起束流效应，即在IGBT中产生实际的局部电流密度过高而发热，致使局部热损坏。dv/dt与结电容CJ构成移位电流，相当于器件的触发信号，引起α增大，在一定条件下产生误触发，致使IGBT失效。di/dt和dv/dt过大本质上都是能量变化太快，如果引导不好，则产生能量过于集中而产生破坏。L和C在电路中都起一个储存能量和缓冲变化的作用，各种缓冲吸收及软开关电路，均为对LC在电路回路中的合理应用。如果回路中L太小，则电流变化快，IGBT导通面积来不及扩展，产生束流效应，致使局部过热损坏；如果回路中C太小，则电压变化快有可能产生浪涌电流而击穿器件。有效的改善di/dt和dv/dt过大的有效措施包括：
（1）选择适当的开关频率，使di/dt和dv/dt限制在器件的承受范围内；
（2）尽可能选取耐di/dt和dv/dt髙的开关器件；
（3）采取强、尖脉冲触发，前沿一定要陡，使初始导通面积尽可能大；
（4）大容量使用中，采用限流饱和电抗器和维持脉冲相结合的办法来降低di/dt；
（5）外加并联电容，以吸收器件内的移位电流，减小dv/dt；
（6）外加RCD电路，以同时降低di/dt和dv/dt；
（7）增大驱动电路上的时间常数，减少开通和关断时间，降低di/dt和dv/dt；
（8）小容量变频器上可在IGBT集电极套磁环，以减小di/dt。