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IGBT失效原因及保護方法

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2023-02-16 09:52:51 941

關于 IGBT

IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場效應管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導通壓降兩方面的優點。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。

IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。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。

IGBT 失效場合、機理、原因

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、電容失效或漏電：

從而引起IGBT損壞。經檢查其他元件無問題的時候，更換0.3UF和400V電容。

2、IGBT管激勵電路異常：

震蕩電路輸出的脈沖信號，不能直接控制IGBT飽和，導通和截止，必須通過激勵脈沖信號放大來完成。

3、同步電路異常：

同步電路的主要作用是保證加到IGBT管G級上的開關脈沖前言與IGBT管上VCE脈沖后延同步當同步電路工作出現異樣，導致IGBT管瞬間擊穿。

4、工作電壓異常：

電壓出現異常時，會使IGBT管激勵電路，風扇散熱系統及LM339工作失常導致IGBT上電瞬間損壞。

5、散熱系統異常：

在大電流狀態下其發熱量也大，如果散熱系統出現異常，會導致IGBT過熱損壞。

6、單片機異常：

單片機內部會因為工作頻率異常而燒毀IGBT。

7、VCE檢測電路異常：

VCE檢測將IGBT官集電極上的脈沖電壓通過，電阻分壓，此電壓的信息變化傳到CPU，做出各種相應的指令。當VCE檢測電路出現故障的時候，VEC脈沖幅度。超過IGBT管的極限值，從而導致IGBT損壞。

IGBT 短路分類

通過上面分析，大家應該知道過流和短路的區別了，下面我們從IGBT視角分析幾種常見的短路故障類型。

IGBT短路故障類型

1. IGBT開通瞬態發生的短路行為（SC 1）：

IGBT開通（門極電壓由負壓轉為正壓的過程中）導致的短路故障，也就是IGBT在開通之前，系統沒有發生短路故障。

2. IGBT通態過程發生的短路行為（SC 2）：

IGBT在導通過程中（門極保持正壓開通），且正向導通電流時，由于外部原因導致的器件電流突然增大行為。

3. IGBT通態過程發生的短路行為（SC 3）:

IGBT在導通過程中（門極保持正壓開通），且內部續流二極管正向導通電流時，這時由于外部原因導致的器件電流突然增大行為。

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.