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IGBT失效原因分析

IGBT功率模塊是以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的功率模塊。由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離，具有出色的器件性能。廣泛應(yīng)用于伺服電機(jī)、變頻器、變頻家電等領(lǐng)域。

引起IGBT失效的原因有幾種：

1） 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(dǎo)致的持續(xù)過熱均會使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路，大電流產(chǎn)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(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效。實際運(yùn)行時，一般最高允許的工作溫度為130℃左右。

2)超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT為PNPN4層結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖1所示。體內(nèi)存在一個寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個體區(qū)擴(kuò)展電阻Rs，P 型體內(nèi)的橫向空穴電流在Rs上會產(chǎn)生一定的電壓降，對NPN基極來說，相當(dāng)于一個正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個正偏置電壓不大，對NPN 晶體管不起任何作用。當(dāng)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(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是，寄生晶閘管導(dǎo) 通，門極失去控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極電流增大，產(chǎn)生過高功耗，導(dǎo)致器件失效。動態(tài)擎住效應(yīng)主 要是在器件高速關(guān)斷時電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，流過Rs，產(chǎn)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。

3) 瞬態(tài)過電流IGBT在運(yùn)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(xù)流二極管的反向恢復(fù)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(tài)過電流雖然持續(xù)時間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負(fù)擔(dān)，也可能會導(dǎo)致IGBT失效。

4）過電壓造成集電極 發(fā)射極擊穿。

5）過電壓造成柵極 發(fā)射極擊穿。

6）實際測試中還發(fā)現(xiàn)過IGBT玻璃鈍化層破損的，一般建議客戶批量生產(chǎn)前做元器件篩選。

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