IGBT失效原因

西门子的SimoDrive功率模块失效分析
摘要：本文通过对已损坏的西门子IGBT的研究，详细的分析了西门子IGBT损坏的原因，有IGBT制造过程中工艺问题，也有外围驱动设计不严密的问题。

西门子公司数控系统各挡CNC 中都使用SimoDrive611 变频系统。

SimoDrive611 是西门子各档数控系统中最重要的组成部分，而饲服功率模块和电源模块是SimoDrive611 中的重要部分，但它故障率高、容易损坏，可靠性不如系统中其他部分好。

本文主要针对西门子功率模块失效损坏进行分析。

我们通过对6SN1123-1AA00-0CA1 单轴50A、6SN1123-1AA00-0DA1 单轴80A、6SN1123-1AA00-0EA1 单轴160A 以及
6SN1145-1BA0-0BA0 16/21KW 电源模块失效进行分析。

它们共同之处是都使用大功率IGBT 作为输出，而且IGBT 的驱动电路也基本相同。

随着电力电子的快速发展，饲服功率输出部分广泛采用IGBT 晶体管取代GTR 等。

因为IGBT 驱动电路相对简单，几乎可以用TTL 逻辑电路直接驱动，这是它的优点；而它的缺点也很明显，那就是IGBT 晶体管存在所谓擎住效应，正常使用不存在此效应，但使用不当，一旦因过流触发此效应，IGBT 晶体管便为常通，根本不受栅射控制电压控制关断IGBT，直到烧坏。

1 IGBT 失效损坏原因
在饲服驱动中，IGBT 总是受感性电机负载的冲击，短时过载等触发的擎住效应是失效损坏的根本原因。

另外IGBT 驱动电路设计的不够严密，使用不合理等，都可能导致IGBT 永久的损坏。

下面进行详细分析。

1．1 过流触发擎住效应导致IGBT 损坏
IGBT有一定瞬时抗过流能力，外部控制逻辑也能提供一定保护。

最主要的是IGBT驱动电路保护措施的设计一定要严密。

由于IGBT半导工艺结构上存在一个寄生晶体管，也就是寄存可控硅。

IGBT的理想等效电路如图1所示。

集电极
栅极
发射极
图1 理想的等效电路
它是一个PNP双极晶体管和功率MOSFET采用达林顿连接而形成的单片BI-MOS晶体管。

而实际的IGBT的等效电路却如图2所示。

图2 实际的IGBT 等效电路
IGBT 实际等效电路与理想等效电路相比不同之处在于T2 与T3 分别为可控硅与功
率MOSFET 构成的。

图中T2 是有条件的寄生存在的。

正常使用不存在T2。

但由于IGBT 制造工艺问题，存在一个低阻值扩散电阻Rd，在一般正常使用情况下，由于Ic 在Rd 上的正向偏压不足以打开寄生NPN T2 晶体管，此时等于不存在T2。

当Ic 电流在Rd 上的压降大到能够使寄生NPN T2 导通，由于正反馈原因，使T2 和T3 快速处于全导通状态。

这样在Ic 过流条件下，T2 的寄生晶体管存在，T2 和T3 晶体管已形成导通。

门极控制作用失灵，失去控制作用，形成自锁现象，这就是擎住效应。

一旦形成自锁，集电极电流增大，产生高热消耗，导致器件损坏。

另外在IGBT 关断的动态过程中，dv ce/dt 变化太快，在结电容中产生较大的位移电流，流过扩散电阻Rd，也会产生足以使NPN T2 晶体管导通的正向偏压，触发T2 的导通形成自锁。

1其它原因损坏过压损坏，由于IGBT 的感性负载，在关断时产生尖峰电压，如果尖峰电压过高也会造成器件损坏。

这时损坏往往为内置FWD 二极管被击穿，这种情况也不少见。

栅驱动电路控制逻辑失灵导致桥臂直通，烧坏IGBT。

另外长时间过热满负载运行也会导致器件损坏。

根据我们对IGBT 失效的分析，IGBT 失效还看不出与栅控逻辑失灵、过热等有直接关系。

2IGBT 驱动电路设计不严密通过对EUPEC 公司的几种IGBT 失效分析，我们的结论是安全保护措施没有起作用。

有时损坏相当严重。

比如说：BSM150GT120DN2 ，烧坏上下两臂，并使外部相关的驱动电路全部损坏，包括A4514V 、SIE20034 、晶体管、隔离电源
及变压器等。

最严重的将内置保险丝和厚膜电流检测板的输入晶体管烧坏。

损坏的IGBT 模块内部烧坏情况如图3 所示。

图3 BSM150GT120DN2损坏模块
图4 BSM50GX120DN2 损坏模块
图3 为三个并联IGBT 烧坏两个单元，正好外部连接为三相之一U 相的输出。

图4 损坏较轻，只有一只FWD 击穿，在放大镜下可清晰看见方形PN 结（FWD）在两直角边交接处被高压击穿，不是擎住效应损坏。

而摘掉此FWD，IGBT 晶体管可以工作，如果外接一个与内置FWD 性能相近的二极管，这快BSM50GX120DN2 被复活，可以降额使用。

像FWD 被击穿的是少数，IGBT 单元完全烧坏为多数，完全烧坏的过程还不能完全说清楚。

由于IGBT 关断时，速度很快，FWD 反向恢复时会产生很高的dI c/dt 变化率，这时在负载电感上会产生L*dI c/dt 高的关断浪潮电压，击穿FWD 可能性很大。

如图4 所示，它是电压击穿而不是过流烧坏。

Siemens 的功率模块一旦损坏就连同对应的外围驱动电路也往往会被破坏。

我们不得不怀疑IGBT 驱动电路设计存在问题。

功率驱动模块对用户是不透明的。

我们只能从Siemens 公司所使用的IGBT 的参数推测它的外围，主要用A4514V 、SIE20034 驱动IGBT。

这两个电路内部细节不祥。

经过分析Siemens 的功率模块IGBT 驱动电路与国内大家比较熟悉的FUJI 的EXB841 厚膜电路相似。

只有Siemens 公司功率模块设计者清楚IGBT 驱动电路设计的不足，如何提高安全保护性能。

最好克服驱动电路设计的麻烦，而采用IPM。

2 结论
IGBT 损坏的原因有多种多样，有由于制造工艺引起的潜在的问题，也有外围驱动电路设计不严密的问题。

尤其是后者，我们可以设法避免。

现在比较普遍认可的就是采用IPM 替代IGBT。

IPM 把驱动和功率输出功率管集成在一起，他的保护措施反应要快速的多。

因为Siemens 公司的功率模块种类很多，功率大小差别很大，我们的分析不一定全面，谨供参考。