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IGBT失效分析

發布時間:2018-11-24

隨著電力電子器件制造技術的發展,高性能、大容量的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)因其具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅動功率小、開關損耗低及工作頻率高等特點,而越來越多地應用到工作頻率為幾十kHz以下,輸出功率從幾kW到幾百kW的各類電力變換裝置中。IGBT模塊的失效分析就是通過對失效器件進行各種測試和物理、化學、金相試驗,確定器件失效的形式(失效模式),分析造成IGBT模塊失效的物理和化學過程(失效機理),尋找IGBT模塊失效原因,制訂糾正和改進措施,以提高它的固有可靠性和使用可靠性,是改進電子產品質量最積極、最根本的辦法,對提高整機可靠性有著十分重要的作用。本文借助實驗的案例,發現典型的IGBT失效特征包含:過壓失效、過流失效、過熱失效、機械失效以及超出反偏安全工作區失效。

1.  過壓失效

1.1柵極過壓

IGBT的柵極-發射極驅動電壓的保證值為正負20v,如果在它柵極和發射極之間加上超過保證值的電壓,則可能損壞IGBT,另外,如IGBT的柵極與發射極間開路,而在其集電極與發射極之間加上電壓,則隨著集電極電極電位的變化,由于柵極與集電極和發射極之間寄生電容的存在柵極電位升高,集電極-發射極有電流流過。這時如集電極和發射極間處于高壓狀態,可能會使IGBT發熱甚至損壞。


1.2 集電極-發射極過電壓

IGBT集電極-發射極過電壓的產生主要有兩種情況:一是施加到IGBT的集電極-發射極間的直流電壓過高,另一種是集電極-發射極間的浪涌電壓過高。所以實際使用過程要綜合考慮。


1.3  雜散電感過電壓
  因為電路中雜散電感的存在,而IGBT的開關頻率較高,當IGBT關斷時與開通時,就會產生很大的電壓,威脅到IGBT的安全。

2. 過流失效

2.1 短路失效

失效位置發生在IGBT有源區(不含柵極),如圖2所示。失效表現為模塊中多個IGBT 芯片同時嚴重燒毀。發生失效的條件:一是芯片短路安全工作區不能滿足系統設計要求,或者短路安全工作區發生退化;二是工況發生異常,IGBT回路出現短路且IGBT未能及時被保護;三是半橋臂出現短路(IGBT或續流二極管),導致另一半橋臂IGBT被短路,發生短路失效;四是工作環境溫度升高,導致芯片結溫升高,短路安全工作區范圍變小;五是控制信號問題,導致IGBT誤開關,引起(橋臂)短路失效。


2.2 過電流脈沖引起的失效

失效位置通常發生在IGBT有源區(不含柵極)鍵合點周圍,如圖,3所示。失效表現為鍵合點周圍芯片表面有燒損,一般鍵合線沒有完全脫落。因為電路中有效功率較低,過電流脈沖引起的損壞沒有短路時的嚴重。失效發生條件:一是由于觸發問題,導致IGBT芯片突然流過一個峰值較大的電流脈沖;二是續流二極管反向恢復電流、緩沖電容的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流等產生的電流脈沖,這種瞬態過電流同樣可能引起IGBT失效。


3. 過熱失效

過熱損壞集電極電流過大引起的瞬時過熱及其它原因,如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(約250℃),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。實際運行時,一般最高允許的工作溫度為130℃左右。


4. 機械失效

失效表現為陶瓷基板上有裂痕。失效原因是安裝產生的強應力導致陶瓷基板破裂。發生失效的條件:一是導熱硅脂涂抹不均勻,使得底板和散熱器的接觸不在同一個平面,在緊固時產生應力導致陶瓷基板破裂,二是緊固力和緊固順序不合適,在陶瓷基板上產生應力,導致陶瓷基板破裂;三是模塊在搬運或應用過程中受到強外力的影響。


5. 超出反偏安全工作區失效

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PNPN4層結構,其等效電路如圖1所示。體內存在一個寄生晶閘管,在NPN晶體管的基極與發射極之間并有一個體區擴展電阻Rs,P型體內的橫向空穴電流在Rs上會產生一定的電壓降,對NPN基極來說,相當于一個正向偏置電壓。在規定的集電極電流范圍內,這個正偏置電壓不大,對NPN晶體管不起任何作用。當集電極電流增大到一定程度時,該正向電壓足以使NPN晶體管開通,進而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態。于是,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,流過 Rs,產生足以使NPN晶體管開通的正向偏置電壓,造成寄生晶閘管自鎖。

 


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