引起IGBT失效的原因及保護方法

IGBT的使用方法

IGBT絕緣柵雙極型晶體管是一種典型的雙極MOS復合型功率器件。它結合功率MOSFET的工藝技術，將功率MOSFET和功率管GTR集成在同一個芯片中。該器件具有開關頻率高、輸入阻抗較大、熱穩定性好、驅動電路簡單、低飽和電壓及大電流等特性，被作為功率器件廣泛應用于工業控制、電力電子系統等領域（例如：伺服電機的調速、變頻電源）。為使我們設計的系統能夠更安全、更可靠的工作，對IGBT的保護顯得尤為重要。

目前，在使用和設計IGBT的過程中，基本上都是采用粗放式的設計模式——所需余量較大，系統龐大，但仍無法抵抗來自外界的干擾和自身系統引起的各種失效問題。瞬雷電子公司利用在半導體領域的生產和設計優勢，結合瞬態抑制二極管的特點，在研究IGBT失效機理的基礎上，通過整合系統內外部來突破設計瓶頸。本文將突破傳統的保護方式，探討IGBT系統電路保護設計的解決方案。

IGBT失效場合：來自系統內部，如電力系統分布的雜散電感、電機感應電動勢、負載突變都會引起過電壓和過電流；來自系統外部，如電網波動、電力線感應、浪涌等。歸根結底，IGBT失效主要是由集電極和發射極的過壓/過流和柵極的過壓/過流引起。

IGBT失效機理：IGBT由于上述原因發生短路，將產生很大的瞬態電流——在關斷時電流變化率di/dt過大。漏感及引線電感的存在，將導致IGBT集電極過電壓，而在器件內部產生擎住效應，使IGBT鎖定失效。同時，較高的過電壓會使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進入放大區， 使管子開關損耗增大。

IGBT傳統防失效機理：盡量減少主電路的布線電感量和電容量，以此來減小關斷過電壓；在集電極和發射極之間，放置續流二極管，并接RC電路和RCD電路等；在柵極，根據電路容量合理選擇串接阻抗，并接穩壓二極管防止柵極過電壓。

引起IGBT失效的原因

1、過熱容易損壞集電極，電流過大引起的瞬時過熱及其主要原因，是因散熱不良導致的持續過熱均會使IGBT損壞。如果器件持續短路 ，大電流產生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過硅本征溫度，器件將失去阻斷能力，柵極控制就無法保護，從而導致IGBT失效。實際應用時，一般最高允許的工作溫度為125℃左右。

2、超出關斷安全工作區引起擎住效應而損壞。擎住效應分靜態擎住效應和動態擎住效應。IGBT為PNPN 4層結構，因體內存在一個寄生晶閘管，當集電極電流增大到一定程度時，則能使寄生晶閘管導通，門極失去控制作用，形成自鎖現象，這就是所謂的靜態擎住效應。IGBT發生擎住效應后，集電極電流增大，產生過高功耗，導致器件失效。動態擎住效應主要是在器件高速關斷時電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，也能造成寄生晶閘管自鎖。

3、瞬態過電流IGBT在運行過程中所承受的大幅值過電流除短路、直通等故障外，還有續流二極管的反向恢復電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態過電流雖然持續時間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負擔，也可能會導致IGBT失效 。

4、過電壓造成集電極、發射極擊穿或造成柵極、發射極擊穿。

IGBT保護方法

當過流情況出現時，IGBT必須維持在短路安全工作區內。IGBT承受短路的時間與電源電壓、柵極驅動電壓以及結溫有密切關系。為了防止由于短路故障造成IGBT損壞，必須有完善的檢測與保護環節。一般的檢測方法分為電流傳感器和IGBT欠飽和式保護。

1、立即關斷驅動信號

在逆變電源的負載過大或輸出短路的情況下，通過逆變橋輸入直流母線上的電流傳感器進行檢測。當檢測電流值超過設定的閾值時，保護動作封鎖所有橋臂的驅動信號。這種保護方法最直接，但吸收電路和箝位電路必須經特別設計，使其適用于短路情況。這種方法的缺點是會造成IGBT關斷時承受應力過大，特別是在關斷感性超大電流時， 必須注意擎住效應。

2、先減小柵壓后關斷驅動信號

IGBT的短路電流和柵壓有密切關系，柵壓越高，短路時電流就越大。在短路或瞬態過流情況下若能在瞬間將vGS分步減少或斜坡減少，這樣短路電流便會減小下來，長允許過流時間。當IGBT關斷時，di/dt也減小。限制過電流幅值。

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