IGBT的失效
IGBT故障原因
IGBT故障原因IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）是一种高性能功率开关器件，广泛应用于各种功率电子设备中。
它结合了MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和普通双极晶体管的优点，具有高开关频率、低导通电阻、大电流承载能力和高崩溃电压等优势。
然而，由于IGBT通常在高压大电流环境下工作，可能会出现故障。
本文将探讨IGBT故障的可能原因。
首先，IGBT可能会发生过电压故障。
过电压会导致IGBT击穿，使其无法正常开关。
过电压的原因可能包括电源的不稳定、电感回馈、由于电源切换、瞬态电压、电源杂散峰值等。
这些过电压可能会损坏IGBT的栅电极、封装或晶体管结构，导致器件失效。
第二，过温度也是IGBT故障的一个重要原因。
高温会导致IGBT内部结构的热膨胀，进而造成内部扩散层的晶体管结构变形和金属导线断裂。
过温的原因包括过载、长时间高频工作、散热不良等。
此外，如果IGBT 的封装有缺陷，导致散热不良，也会引起过温故障。
第三，脉冲电流和过载可能会导致IGBT故障。
当IGBT经受过大的电流冲击时，可能会发生结构断裂、电极烧蚀、导电层融化等故障。
这种情况通常发生在电流过载、启动电流过大、全相失序等情况下。
第四，电压振荡和共振也可能引起IGBT故障。
当IGBT暴露在高频的电压振荡和共振环境中时，可能会引起其栅电极和封装的损坏。
这种情况通常出现在电路设计不当、电源突然切换等情况下。
第五，电压倒转和漏电会对IGBT造成损害。
电压倒转发生在电源切换时，如果切换过程中电源的极性反转，会导致IGBT结反偏使其击穿。
此外，漏电可能会引起IGBT封装的损坏，导致结构失效。
第六，静电放电是另一个常见的IGBT故障源。
当IGBT处于无保护状态下，静电放电可能导致器件损坏。
因此，在操作或维护IGBT时应注意进行适当的静电防护。
最后，如果IGBT的封装质量不好，可能会导致故障。
封装质量差可能会导致材料不均匀、接触不良、尺寸不一致等问题，影响IGBT的性能和可靠性。
IGBT失效分析与应对
IGBT失效分析与应对IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率器件，常用于高压、大电流的应用中。
在使用过程中，可能会出现IGBT失效的情况，需要及时分析原因并采取应对措施。
1.过流：IGBT在工作时承受的电流超过了其额定值，会导致过热失效。
2.过压：过高的电压会导致IGBT击穿，发生瞬态过电流，进而导致失效。
3.温度过高：IGBT在工作时会产生热量，如果散热不良，导致温度过高，会加速器件老化，从而失效。
4.瞬态过电压：IGBT在开关状态切换时会产生瞬态过电压，如果保护措施不足，会导致器件失效。
应对IGBT失效的方法主要有以下几个方面：1.选用适当的IGBT：根据具体的应用场景要求，选择适合的IGBT，能够承受所需的电流和电压。
2.合理设计驱动电路：驱动电路的设计要合理，保证IGBT在开关状态切换时的瞬态过电压得到有效的抑制。
3.加强散热措施：采用散热片、风扇等散热装置，保证IGBT的工作温度不超过额定温度。
4.过电流保护：在电路中添加过电流保护装置，当电流超过预设值时，及时切断电路，保护IGBT不受过流损伤。
5.过压保护：在电路中添加过压保护装置，当电压超过预设值时，及时切断电路，保护IGBT不受过压损伤。
6.减少开关频率：降低IGBT的开关频率，减少器件的工作压力，延长器件的使用寿命。
7.充分测试和检测：在使用IGBT之前，应进行充分的测试和检测，保证器件品质合格。
8.定期维护与检查：定期对IGBT进行检查和维护，包括散热装置的清洁、连接端子的紧固等。
总之，IGBT是一种高性能功率器件，在使用中需要注意合理选择和设计，加强保护措施，定期进行维护和检查，以延长器件的使用寿命，确保系统的可靠性和稳定性。
IGBT的失效原理及失效时参数变化规律
IGBT 失效机理分析及参数变化1 过电压失效1．1栅极过压IGBT 的栅极-发射极驱动电压G E U 的保证值为正负20v ，如果在它栅极和发射极之间加上超过保证值的电压，则可能损坏IGBT ，另外，如IGBT 的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在栅极电位升高，集电极-发射极有电流流过。
这时如集电极和发射极间处于高压状态，可能会使IGBT 发热甚至损坏。
1． 2 集电极-发射极过电压IGBT 集电极-发射极过电压的产生主要有两种情况：一是施加到IGBT 的集电极-发射极间的直流电压过高，另一种是集电极-发射极间的浪涌电压过高。
所以实际使用过程要综合考虑。
1．3 杂散电感过电压因为电路中杂散电感的存在，而IGBT 的开关频率较高，当IGBT 关断时与开通时，就会产生很大的电压/L d i d t ，威胁到IGBT 的安全如图1-1所示出了IGBT 的杂散电感和杂散电容。
IGBT 的外部电感L 主要是指IGBT 直流侧电感，可算得L 对加在IGBT 集射电压的影响为：C E S P d d i U L U d t =+IGBT 杂散电感和杂散电容的示意图其中d U 为直流电压电容，di/dt 为IGBT 的电流变化率。
杂散电感L 产生的电压叠加在d U 上，IGBT 内部是集成电路芯片，耐压能力非常有限，如L 产生的电压较大，超出IGBT 的集电极-发射极间耐压值C E S U ，产生的过电压能轻易地将IGBT 击穿。
图1-2为IGBT 的过电压波形示意图。
IGBT 过电压示意图形IGBT 在关断时，由于电路中存在电感，关断瞬间产生尖峰电压，假如电压超过额器件的最高的峰值电压，将可能造成IGBT 击穿。
2 静电损伤严格来说，器件静电损伤也属于过电压应力损伤，静电型过电应力的特点是：电压较高，能力较小，瞬间电流较大，但持续的时间极短，与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。
IGBT的芯片结构和失效模式
IGBT的芯片结构和失效模式IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率半导体器件，结合了晶体管和MOSFET的特点，具有高压能力和高速开关能力。
它是现代电力电子领域中最常用的功率开关器件之一、IGBT芯片的结构和失效模式对于了解其工作原理和故障诊断非常重要。
下面详细介绍IGBT 芯片的结构和失效模式。
一、IGBT芯片的结构IGBT芯片由P型绝缘层、N+型主区、N型耗尽区、N-雪崩区、N+型接触区和栅极、封装等多个部分组成。
1.P型绝缘层：P型绝缘层是位于N+型主区与N型耗尽区之间的一个高电势区，承受高电压。
2.N+型主区：N+型主区是一个高掺杂区域，负责主要的电流通道，起到N型区的导电作用。
3.N型耗尽区：N型耗尽区是一个轻掺杂的中间区域，起到隔离N+型主区和N-雪崩区的作用，防止大电流过载。
4.N-雪崩区：N-雪崩区是一个较厚的轻掺杂区域，可承受高电压。
5.N+型接触区和栅极：N+型接触区连接源极和基极，栅极控制IGBT 的导电能力。
6.封装：封装是将芯片保护起来的外层，通常使用陶瓷材料封装，以提供良好的绝缘性能和散热性能。
二、IGBT的失效模式IGBT芯片的失效模式主要包括击穿故障、热失效和电压应力失效。
1.击穿故障：当IGBT芯片承受超过其额定的电压时，可能会发生击穿故障。
击穿故障会导致电流过高，温度升高，进而烧毁芯片。
击穿故障通常与电压应力不均匀、环路感应和过载等因素有关。
2.热失效：IGBT芯片在工作过程中会产生大量的热量，长时间高温会导致芯片内部结构变形、金属焊接断裂、漏电增加等问题。
热失效可能会造成芯片的导通能力下降、损坏等问题。
3.电压应力失效：IGBT芯片在开关过程中会受到电压的应力，电压应力不均匀会导致介电层击穿和边界电场集中。
这些问题可能会导致永久性损坏，如漏电增加、运算速度下降等。
除了上述的失效模式，IGBT芯片还可能发生其他故障，如电流过载、绝缘失效、封装破裂等。
IGBT的芯片结构及失效模式
IGBT功率模块键合线失效分析与研究随着功率变流技术在航空航天、新能源发电、电动汽车、轨道交通等领域的广泛应用,其在各系统中的核心作用也凸显出来。
在功率变换装置中功率器件是系统中最脆弱的部分,因此,功率器件的可靠性问题受到越来越广泛的重视。
功率器件中常见的是绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolartransistor,IGBT）,因其具有开关速度快、损耗小、驱动电流小、控制电路简单等优势而成为目前应用最为广泛的功率器件。
研究IGBT模块老化、失效的过程,掌握模块失效后内部寄生参数的改变以及引起外部特征信号的变化规律对于模块的失效监测、可靠性的提高及整个装置的安全运行都至关重要。
键合线是IGBT模块中最易发生故障的部位,本文将针对IGBT模块中键合线的可靠性问题,进行理论研究、仿真及实验分析,主要研究内容及创新点如下:首先,以SKM75GB12T4IGBT模块为研究对象,建立其3D模型,在ANSYS仿真软件中对其分别进行电-热场和热-应力场的综合分析,掌握在IGBT模块工作中,键合线的受热及受力情况。
通过子模型分析,了解键合线脱落面积与器件温度的关系,并掌握键合线的热特性对于模块可靠性的影响。
其次,探究键合线脱落对模块中寄生参数的影响,利用精密阻抗分析仪和Ansoft Q3D Extractor软件对模块的寄生参数进行测量和提取,并进行比较验证,得到键合线脱落不同程度后内部寄生参数的变化情况。
在saber软件中搭建仿真电路模型,分析模块中寄生参数对开关波形的影响。
因寄生参数的变化会直接导致外部可测量电信号发生改变,搭建实验电路,得到键合线脱落对外部电信号的影响,并做出规律性分析,为后续研究提供理论依据。
再次,提出了一种考虑IGBT模块内部互连材料等效电阻的影响来精确估计结温的方法。
基于键合线脱落对外部可测电信号的间接影响,选用通态压降V<sub>ce<sub>o</sub>n</sub>作为监测IGBT模块键合线失效的参数,由于V<sub>ce<sub>o</sub>n</sub>同时受到结温T<sub>j</sub>和集电极电流I<sub>c</sub>的影响,利用这三个参数建立键合线失效监测的查找表,使得键合线的失效监测更为精确。
IGBT的失效
NN
P
P
N- N
N
P
早期结构
改 加入P+区 掺杂高，电阻小
沟槽发射极接触 路程短，电阻小
进 降低源区浓度
α小,不易闩锁
二、 抗动态雪崩击穿失效
使雪崩击穿电流线是自熄灭的
1，选用透明集电极IGBT结构
（NPT-IGBT,FS-IGBT等等） • 动态雪崩电压具有正温度系数
2, 适当的集电极空穴注入效率 & N-基区掺杂浓度
电子流
七、动态寄生晶闸管闩锁
关断过程中闩锁
E
G
N PN 空穴
耗尽层 电子
PN N-
N P
C
N P
C
第二部分： 开关过程中IGBT的失效现象
一、箝位感性负载（CIL)硬开关中 IGBT的失效
二、无箝位感性负载(UIS)硬开关中 IGBT的失效
三、负载短路(SC)硬开关中 IGBT的失效
CIL
UIS
VGG
• 过流（附加FWD电流)
FWD恢复 电流
A
VCE
B
Ic
C
导通稳态
开通过程
关断过程
• 晶闸管闩锁 （高温）
• 过温（功耗过大）
（电流大或驱动不足）
• 动态雪崩击穿
(dv/dt太大) (RG太小，L大）
• 动态晶闸管闩锁
t
二、无箝位感性负载硬开关中IGBT失效现象
动态雪崩击穿 !!!
维持电压
I
• 散热不均匀 → 局部高温，烧毁
4.5 发射极镇流电阻(EBR)
防止PT-IGBT局部过热烧毁
镇流电阻的作用： • 降低短路电流； • 对抗电压负温度系
IGBT的失效原理及失效时参数变化规律
IGBT 失效机理分析及参数变化1 过电压失效1．1栅极过压IGBT 的栅极-发射极驱动电压G E U 的保证值为正负20v ，如果在它栅极和发射极之间加上超过保证值的电压，则可能损坏IGBT ，另外，如IGBT 的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在栅极电位升高，集电极-发射极有电流流过。
这时如集电极和发射极间处于高压状态，可能会使IGBT 发热甚至损坏。
1． 2 集电极-发射极过电压IGBT 集电极-发射极过电压的产生主要有两种情况：一是施加到IGBT 的集电极-发射极间的直流电压过高，另一种是集电极-发射极间的浪涌电压过高。
所以实际使用过程要综合考虑。
1．3 杂散电感过电压因为电路中杂散电感的存在，而IGBT 的开关频率较高，当IGBT 关断时与开通时，就会产生很大的电压/L d i d t ，威胁到IGBT 的安全如图1-1所示出了IGBT 的杂散电感和杂散电容。
IGBT 的外部电感L 主要是指IGBT 直流侧电感，可算得L 对加在IGBT 集射电压的影响为：C E S P d d i U L U d t =+IGBT 杂散电感和杂散电容的示意图其中d U 为直流电压电容，di/dt 为IGBT 的电流变化率。
杂散电感L 产生的电压叠加在d U 上，IGBT 内部是集成电路芯片，耐压能力非常有限，如L 产生的电压较大，超出IGBT 的集电极-发射极间耐压值C E S U ，产生的过电压能轻易地将IGBT 击穿。
图1-2为IGBT 的过电压波形示意图。
IGBT 过电压示意图形IGBT 在关断时，由于电路中存在电感，关断瞬间产生尖峰电压，假如电压超过额器件的最高的峰值电压，将可能造成IGBT 击穿。
2 静电损伤严格来说，器件静电损伤也属于过电压应力损伤，静电型过电应力的特点是：电压较高，能力较小，瞬间电流较大，但持续的时间极短，与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。
IGBT失效分析
IGBT失效分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种重要的功率半导体器件，具有高性能和高集成度的特点，并广泛应用在电力电子设备中。
然而，由于IGBT长期工作在高温、高电压、高电流的环境下，容易出现失效的情况。
本文将对IGBT失效进行分析，重点从热失效、电压失效和电流失效三个方面进行论述。
首先，热失效是IGBT常见的失效形式之一、由于IGBT在工作过程中会产生大量的热量，如果散热不良或者长时间高温工作，会导致IGBT内部温度过高，从而造成失效。
常见的热失效原因包括过大的功率损耗、散热不良以及热应力等。
功率损耗过大会导致IGBT内部温度升高，从而热失效。
散热不良是指IGBT无法将产生的热量迅速散发出去，造成内部温度过高。
热应力则是指IGBT长时间在高温环境下工作，导致器件老化，最终失效。
其次，电压失效是指IGBT承受电压超过其额定值而失效的情况。
IGBT的电压承受能力受到其结构设计和材料特性的限制，如果工作电压超过了其额定值，会导致击穿、损伤甚至烧毁。
常见的电压失效原因包括过高的工作电压、过高的尖顶电压以及过高的幅值电压等。
过高的工作电压意味着IGBT需要承受更高的电场强度，容易导致击穿。
过高的尖顶电压和幅值电压则是指在电压波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电压应力集中，容易造成失效。
最后，电流失效是指IGBT承受电流超过其额定值而失效的情况。
IGBT的电流承受能力受到其电流密度和结构设计的限制，如果工作电流超过了其额定值，会导致过载、击穿甚至烧毁。
常见的电流失效原因包括过高的工作电流、过高的尖顶电流以及过高的幅值电流等。
过高的工作电流意味着IGBT需要承受更高的电流密度，容易导致击穿。
过高的尖顶电流和幅值电流则是指在电流波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电流应力集中，容易造成失效。
综上所述，IGBT的失效主要包括热失效、电压失效和电流失效。
热失效是由于功率损耗过大、散热不良或者长时间高温工作而导致的，电压失效是由于工作电压超过额定值而导致的，电流失效是由于工作电流超过额定值而导致的。
IGBT功率模块封装失效机理及监测方法综述
IGBT功率模块封装失效机理及监测方法综述IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）功率模块是一种集成了功率MOSFET和双极晶体管结构的半导体器件，广泛应用于高功率和高频率开关电源和电力电子应用中。
IGBT功率模块的性能和可靠性对电力系统的稳定运行起着至关重要的作用。
然而，由于工作环境的恶劣以及运行的高电流和高温度等因素，IGBT功率模块容易出现封装失效，影响其性能和寿命。
1.焊接疲劳：由于功率模块在工作过程中会不可避免地受到温度循环的作用，焊接接点易受到热应力的影响，导致焊接疲劳和裂纹的产生，从而引起焊点脱落和模块间隙增大。
2.焊接接触不良：焊接接点的不良接触会导致接触电阻升高，并在高功率运行时产生局部过热，导致接触界面松动，增加电阻和损耗。
3.热膨胀不匹配：由于功率模块中不同材料的热膨胀系数不同，工作过程中温度变化引起的热膨胀不匹配会导致模块内部应力的积累，从而损坏封装材料。
4.熔敷金属扩散：在高温环境下，熔敷金属会发生扩散，导致金属间的相互渗透和细化，降低导电和导热性能。
为了监测和评估IGBT功率模块的封装失效，可采用以下方法：1.热循环试验：通过将功率模块置于高温和低温交替的环境中，模拟实际工作条件下的热循环，以评估模块封装对温度变化的适应性和寿命。
2.压力测试：通过施加一定的机械压力，并在高温、高湿环境下测试，检测模块封装是否存在裂纹、脱落等问题，评估其可靠性。
3.红外热像仪：使用红外热像仪可以检测模块工作过程中的温度分布和局部过热现象，及时发现模块的温度异常情况。
4.电流监测：通过在模块输入和输出端接入电流传感器，实时监测电流波形和变化，以判断IGBT功率模块的工作状态和性能。
5.静电放电检测：静电放电是导致功率模块损坏的重要因素之一，可使用相关设备对模块进行静电放电测试，评估其抗静电能力。
综上所述，IGBT功率模块封装失效机理主要包括焊接疲劳、焊接接触不良、热膨胀不匹配和熔敷金属扩散等问题。
逆变器中的IGBT失效原因
逆变器中的IGBT失效原因引起IGBT失效的原因1、过热容易损坏集电极,电流过大引起的瞬时过热及其主要原因,是因散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。
如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度，器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。
实际应用时，一般最高允许的工作温度为125℃左右。
2、超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏。
擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。
IGBT为PNPN4层结构，因体内存在一个寄生晶闸管，当集电极电流增大到一定程度时，则能使寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。
IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。
动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，也能造成寄生晶闸管自锁。
3、瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。
这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。
4、过电压造成集电极发射极击穿或造成栅极发射极击穿。
IGBT保护方法当过流情况出现时，IGBT必须维持在短路安全工作区内。
IGBT承受短路的时间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切关系。
为了防止由于短路故障造成IGBT损坏，必须有完善的检测与保护环节。
一般的检测方法分为电流传感器和IGBT欠饱和式保护。
1、立即关断驱动信号在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下，通过逆变桥输入直流母线上的电流传感器进行检测。
当检测电流值超过设定的阈值时，保护动作封锁所有桥臂的驱动信号。
这种保护方法最直接，但吸收电路和箝位电路必须经特别设计，使其适用于短路情况。
这种方法的缺点是会造成IGBT关断时承受应力过大，特别是在关断感性超大电流时，必须注意擎住效应。
新能源汽车功率电子系统的电力电子失效模式
新能源汽车功率电子系统的电力电子失效模式在新能源汽车中，电力电子系统起着至关重要的作用，它承担着将电能转换为机械能或提供电力给车辆各个部件的任务。
然而，由于长时间工作或其他外部因素的影响，电力电子系统存在着失效的风险。
本文将对新能源汽车功率电子系统的电力电子失效模式进行分析。
一、电力电子元件失效模式电力电子元件是电力电子系统的核心组成部分，它包括IGBT（绝缘栅双极性晶体管）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）等。
下面列举了几种常见的电力电子元件失效模式：1. IGBT打火失效：当IGBT上的晶体管通道电流过大或过温时，可能导致打火失效，造成电力电子系统的短路。
2. MOSFET烧毁失效：MOSFET电力电子元件在工作中可能会因高温或电压异常引起烧毁，使电力电子系统无法正常工作。
3. 电路板焊接失效：电力电子元件与电路板焊接不良导致的失效，可能引起电力电子系统的断路或短路。
二、电力电子系统控制模块失效模式电力电子系统的控制模块用于控制电力电子元件的工作状态，下面介绍了一些可能导致控制模块失效的模式：1. 控制芯片故障：控制芯片是控制模块的核心，当芯片受到外部电磁干扰、高温环境或过压等不利因素时，可能会失效。
2. 电源供电故障：控制模块需要稳定的电源供电，但电源供电异常、电池老化等问题可能会导致电力电子系统失效。
三、温度管理系统失效模式在电力电子系统中，温度管理系统用于控制电力电子元件的工作温度，以下是几种可能的失效模式：1. 散热器堵塞：散热器用于散热电力电子元件产生的热量，当散热器堵塞时，电力电子元件温度过高，可能造成失效。
2. 冷却液泄漏：若电力电子系统采用了液冷技术，当冷却液泄漏时，无法对电力电子元件进行有效散热，可能导致失效。
四、电力电子系统故障诊断模式电力电子系统的故障诊断模式是指通过监测、检测和分析故障，准确判定电力电子系统失效的模式。
以下是一些常见的故障诊断模式:1. 电流过大故障：当电力电子系统中的某个部件或元件电流异常过大时，可能导致系统失效，需要进行故障诊断。
IGBT典型失效现象及分析
IGBT典型失效现象及分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即绝缘栅双极晶体管，是一种半导体开关装置。
它集成了场效应晶体管（FET）和双极晶体管（BJT）的优点，具有高开关速度、低导通压降和大功率承载能力等特点。
但是，IGBT在使用过程中也会出现一些典型的失效现象。
本文将详细介绍IGBT的典型失效现象及分析。
1.IGBT芯片损坏：IGBT芯片是IGBT模块的核心部件，常见的损坏形式有击穿和烧坏。
击穿通常是由于环境条件恶劣导致芯片绝缘能力下降，或是过高的共模电压和斜率放大有可能导致芯片击穿。
烧坏通常是由于过大的电流或过高的温度造成芯片热量集中，导致芯片局部失效。
2.封装失效：封装是保护和固定芯片的重要部分，常见的失效形式有焊接开裂、引脚断裂等。
焊接开裂通常是由于温度和热应力引起的，过高的温度或瞬态电压冲击都有可能导致焊接开裂。
引脚断裂常常是由于负载过重、振动等原因导致。
3.热失效：IGBT在高功率运行时会产生大量热量，如果散热不良，就会导致热失效。
热失效表现为温度升高，甚至超过允许温度范围，进而导致各种失效。
常见的热失效有端子击穿、胶粘剂老化等。
4.结电流失效：IGBT的结电流是指在截止状态下，由于材料的不完美和杂质的存在，会存在一定的导电通道。
常见的结电流失效有漏电流增大、反向击穿等。
漏电流增大通常是由于材料质量问题、过高的温度或封装故障导致。
反向击穿通常是由于过高的反向电压导致。
5.门电流失效：IGBT的门电流是指在关断状态下，由于材料的不完美和杂质的存在，会存在一定的导电通道。
常见的门电流失效有漏电流增大、误触发等。
漏电流增大通常是由于材料质量问题、过高的温度或封装故障导致。
误触发通常是由于电磁干扰、环境污染等原因导致。
以上是IGBT的典型失效现象及分析。
在使用IGBT时，需要注意环境条件，保证散热良好，避免过高的电压和电流等因素对IGBT造成损坏。
IGBT典型失效现象及分析
IGBT典型失效现象及分析来源：作者：时间：2008-11-01 Tag：IGBT点击： 6IGBT典型失效现象及分析1、温度上升对IGBT参数的影响温度上升包含两个意思：一是IGBT中的电磁场能量转化为热能，主要由于器件中的电阻热效应；一是器件发热与外部冷却之间的相互作用，发生的热量如果不能及时散发出去，即散发能力不够，则使温度上升。
温度上升，IGBT中的两个晶体管的放大系数α1和α2均增大，该两个晶体管构成一个寄生晶闸管。
借助于IGBT等效电路图（图3），开通过程为：当给栅极加压Vg，产生Ig，则MOSFET开通，产生I1，I1为PNP的基极电流，开通PNP，产生I2，I2为NPN提供基极电流，产生I3，使整个IGBT全面开通。
I1、I2和I3构成IGBT开通后的全部电流，其中I2为主要部分。
当温度上升，α1和α2上升，使α1＋α2→1，将使寄生晶闸管出现“闭锁效应”，而使IGBT一直导通，即使Vg去掉，I1=0,由于该闭锁效应，PNPN导通，开关失效。
因此，温度上升，增加，使得重复开断的通态电流下降。
图4为SKM600GB126D 型IGBT的通态电流IC随温度变化的曲线【5】。
从图中可以看到，随温度升高，电流下降，且在800C之后，电流下降非常迅速。
图4 IGBT（SKM600GB126D）温度－电流曲线（略）在一台实际的160kW三电平变频器中，温升试验中发生的IGBT失效现象说明该问题：该变频器所选的IGBT型号为SKM600GB126D，工频下重复可关断电流为600A。
该变频器起动后，带满载运行，额定电流为315A。
起动稳定后的50分钟运行一切正常，随着运行时间的增加，IGBT壳温从300C上升到1200C，装置发生过流保护。
分析其原因：当IGBT壳温达到1200C以后，最大重复可关断电流值发生变化（约为250A），驱动开关发生失效，直流母排中点电压平衡破坏，造成直通过流，器件保护。
IGBT失效原因分析
IGBT失效原因分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高性能功率半导体器件，常用于大功率电子设备中，例如变频器、电动机驱动器等。
IGBT的失效主要有以下几个原因：1.过电流失效：过电流是指IGBT流经的电流超过其额定电流，造成IGBT的损坏。
过电流可能是由于电路设计不合理、电路故障、负载过重等原因引起的。
当过电流发生时，IGBT内部的PN结上会产生高电场，导致局部热失控或击穿，从而引起IGBT失效。
2.过电压失效：过电压是指IGBT承受的电压超过其额定电压，导致IGBT的击穿和损坏。
过电压可能是由于电路中的电压尖峰、噪声等突然变化引起的。
当过电压发生时，IGBT内部的绝缘层可能被击穿，从而导致电流过大，内部元件受到损伤。
3.温度失效：IGBT在工作时会产生热量，如果无法有效散热，温度会升高，从而导致IGBT失效。
温度失效可能是由于设备设计不良、散热系统不完善、环境温度过高等原因引起的。
当IGBT的温度超过其额定温度时，内部材料的热膨胀会导致应力集中或介质损坏，进而引起失效。
4.ESD（静电放电）失效：ESD是指静电在元器件之间放电，引起瞬态过电压，从而对IGBT产生电磁激励。
ESD失效可能是由于静电积累、操作不当等原因引起的。
当ESD电流通过IGBT时，其高电场会导致绝缘击穿或局部热失控，从而引起IGBT的失效。
5.动态电压失效：动态电压失效是指在IGBT的交流开关过程中，由于结构不合理或电磁干扰等原因，造成电压过快增长或振荡幅度过大，导致IGBT失效。
动态电压失效可能是由于电路谐振、电网突变、电容放电等原因引起的。
当动态电压超过IGBT的承受能力时，其PN结的电场分布会失控，从而引起击穿。
为了降低IGBT失效的可能性，可以采取以下措施：1.优化电路设计，确保IGBT的工作条件在额定范围内，避免过电流、过电压等异常情况的发生。
2.加强散热设计，保证IGBT能够有效散热并控制温度在安全范围内。
深入解析IGBT典型失效模式及其原因
深入解析IGBT典型失效模式及其原因
半导体功率器件失效的原因多种多样。
换效后进行换效分析也是十分困难和复杂的。
其中失效的主要原因之一是超出安全工作区（Safe Operating Area简称SOA）使用引起的。
IGBT的失效大致可以从失效时间和失效表现形式这两个维度去分析。
失效时间：在整个生命周期内，所有产品的失效率都是时间的函数，呈现明显的阶段性，遵循浴盆曲线（Bathtub curve）的规律。
IGBT也不例外。
在曲线中，我们可以看到曲线的形状呈两头高，中间低，可以分为三个阶段：
1.早期失效
2.随机失效
3.寿命终结失效
图1所示的浴盆曲线中没有具体的刻度，因为失效率和时间的绝对值取决于产品的类型和运行的条件。
图1：浴盆曲线
早期失效：早期失效主要发生在生产测试，或者现场运行的早期。
发生的原因有很多：比如器件在存储、运输、组装过程中受到损伤等等。
随机失效：随机失效通常是不可控的发生。
比如宇宙射线，闪电、污染等等。
随机失效率与运行情况有很大的相关性。
比如电子器件的失效率与运行的温度呈指数关系，根据经验法则，温度每升高20℃，失效率会翻倍。
在浴盆曲线中，我们可以看到随机失效率呈现较低的一个稳定的值，可以。
igbt的失效与器件设计
PT-IGBT NPT-IGBT
正温度系数 负温度系数
Vsus温度性能 的决定因素是电流放大系数 α
NPT-IGBT: α取决于发射极效率γ， γ 是负温度系数 (空穴迁移率比 电子下降快） PT-IGBT: α取决于基区输运系数β*， β*是正温度系数（载流子寿命随 温升而增大）
2, 适当的集电极空穴注入效率 & N-基区掺杂浓度
γ＜ 0.45 JC＜ JCO 范围内动态击穿电流线具有正 微分电阻 方形RBSOA γ=0.45
Jc (A/cm2) γ尽可能高
（＜ 0.45）
Jco
RBSOA
维持电压Vsus （V）
ND尽可能高 （击穿电压要够） 正温度系数 ND ＞(n-p)
ABB
开关自箝位工作模式（SSCM）
• 器件设计精细, N-区搀杂高低适当, αpnp 大小适当
• 器件结构均匀，提高最大电流，高压Vsus 下坚持时间长 • 器件结构参数优化Vsus接近BVces
ABB
三、 抗短路失效设计制造技术
（1）减小IGBT中MOSFET管的沟道宽/长比
能显著减小短路电流
IC (A)
1200
MOSFET 决定
800
W ) 减小沟道 ( L
PiN二极管决定
200 400 600 800 1000
P
N
集电极 发射极
MOS管电流
栅电极
N+
P+
P NN P+
集电极
多晶硅
发射极 沟道区 接触孔
（3）加大元胞中多晶硅宽度
降低局部电流密度→降低局部温度 • 减弱短路时热电载流子倍增效应 • 防止短路时高温晶闸管闩锁
IGBT的封装失效机理
IGBT的封装失效机理1.1概述IGBT是一种新型的电力电子器件，诞生于70年代后期，刚开始时因其自身的PNPN四层结构构成了一个寄生的晶闸管，容易产生闩锁现像（Latch-Up）。
直到80年代通过将源区N+和P阱用金属层短路才基本消除闩锁现像，这才使得之实用化成为可能。
由于它是一种复合型晶体管，既具备MOSFET的高速切换能力，又有晶闸管大电压，大电流的处理能力，在200V—6500V的电力电子领域有着非常广泛的应用，并开始占据原本由GTO统治的应用领域。
我国IGBT 的应用市场很快占到了世界市场的一半，然而，我国的IGBT芯片技术还不成熟，主要依赖于进口，这成了我国电力电子的软肋，也是我国科技中的薄弱点。
在种类上，IGBT主要分为穿通型（Punch Through），非穿通型（Non Punch Through），以及场截止式（FieLd Stop）.相比于穿通和非穿通型IGBT，场截止IGBT芯片更薄，导通损耗更低，；由于功率芯片工艺条件的限制，单个IGBT芯片面积很少超出2-3cm2，电流等级也不会超过150A。
为应对大电流的需要，通常将多个IGBT芯片并联而成。
同样将芯片串联而成可实现高的耐压能力。
这样，IGBT模块应运而生。
1.2IGBT模块结构IGBT模块主要由若干混联的IGBT芯片构成，个芯片之间通过铝导线实现电气连接。
标准的IGBT封装中，单个IGBT还会并有续流二极管，接着在芯片上方灌以大量的硅凝胶，最后用塑料壳封装，IGBT单元堆叠结构如图1-1所示。
图1-1IGBT模块内部结构从上之下它依次由芯片，DBC（Directed Bonding Copper）以及金属散热板（通常选用铜）三部分组成。
DBC由三层材料构成，上下两层为金属层，中间层是绝缘陶瓷层。
相比于陶瓷衬底，DBC的性能更胜一筹：它拥有更轻的重量，更好的导热性能，而且可靠性更好。
1.3IGBT的封装失效机理功率器件的可靠性是指在规定条件下，器件完成规定功能的能力，通常用使用寿命表示。
常见IGBT模块失效情况的分类
常见IGBT模块失效情况的分类IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模块是一种广泛应用于电力变换器中的高压、高电流功率开关装置。
它由一对PN结二极管和一个MOSFET晶体管组成，通过控制MOSFET的开关来实现功率的调节。
然而，由于IGBT模块长时间工作在高电流、高温等恶劣条件下，容易出现失效现象。
本文将对常见的IGBT模块失效情况进行分类介绍。
第一类：瞬时过电压引起的失效IGBT模块在工作过程中，可能会受到来自其他电源或外部故障引起的瞬时过电压，这会导致IGBT模块失效。
常见的瞬时过电压包括浪涌电流、雷击、绝缘击穿等。
这些过电压会瞬间增大IGBT模块的电压应力，导致击穿或损坏。
第二类：电流过大引起的失效IGBT模块在工作中承受的电流通常较大，但是如果电流超出了模块规定的额定值，就会导致IGBT模块失效。
较大的电流会产生较大的热量，导致模块温度升高，从而降低IGBT的导通能力和击穿电压，进而引起模块失效。
此外，过大的电流还会引起焊点破裂、金属膨胀等问题，导致模块故障。
第三类：过温引起的失效IGBT模块通常工作在高温环境中，如果模块温度超过额定温度，则会导致模块失效。
过高的温度会导致IGBT电压击穿性能下降，漏电流增大，从而形成绝缘击穿和局部烧毁。
此外，模块温度过高还会影响焊点、电介质和封装材料的性能，加速故障的发生。
第四类：电磁干扰引起的失效在电力变换器的应用中，会产生大量高频的电磁干扰。
这些干扰会直接或间接地影响IGBT模块的工作，导致其失效。
常见的电磁干扰包括电感耦合、静电放电、电磁辐射等。
电磁干扰会使IGBT模块的输入电压、电流发生变化，导致模块无法正常工作，甚至引起击穿、损坏等故障。
第五类：过失触发引起的失效IGBT模块需要通过驱动电路来进行触发，如果触发信号不恰当、失效或延时，则会引起IGBT模块的故障。
常见的失误触发包括过小的触发电压、过长的触发脉冲、失误的触发脉冲等。
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（ 对臂晶闸管动态闩锁）
• 过流（附加FWD电流)
• 晶闸管闩锁 （高温） • 过温（功耗过大）
（电流大或驱动不足）
FWD恢复 电流
A
VCE
B
• 动态雪崩击穿
C
Ic
开通过程
导通稳态
(dv/dt太大) (RG太小，L大）
关断过程
t
• 动态晶闸管闩锁
二、无箝位感性负载硬开关中IGBT失效现象
VCEsat (V)
IGBT1 IGBT2 IGBT3 IGBT4
Tw (µs) 通态短路维持时间
PT-IGBT饱和电压与短路坚 固性的折中关系(VGE=15V)
IC / Irating
三、几个特别注意点 • 合理选择续流二极管： Qrr小（Irrm小）；软度因子S大 • RG数值极为重要: 太小易造成电压过冲失效，太大动态功耗大 • 散热器极为重要： 参数表的最大耗散功耗是指无限散热情况 • 寄生电感越小越好： 计较到10 nH，否则易发生关断失效
绝缘栅双极晶体管（IGBT） 的失效
器件设计 与 使用注意
北京工业大学 亢宝位
前
• 我国IGBT制造现状： 试制样品 → 占领市场 • 完成这一过程的关键：
言
解决使用中失效问题（需几年时间） • 本报告目的： 引起同行对失效问题的注意，促使这一过程的缩短 谨以此作为献给本会成立20年庆典的薄礼 • 歉意：
2, 适当的集电极空穴注入效率 & N-基区掺杂浓度
• 动态击穿电流线具有正微分电阻
ABB
开关自箝位工作模式（SSCM）
• 器件设计精细, N-区搀杂高低适当, αpnp大小适当
• 器件结构均匀，提高最大电流，高压Vsus下坚持时间长
• 器件结构参数优化Vsus接近BVces
ABB
三、 抗短路失效
四、加保护电路
例如：
• 短路保护
• 过温保护 • 集电极过压保护
• 栅极欠压保护
• 过流保护
谢谢!
n=5-8 Isc = nIC(rating) 安全 不安全 动态雪崩击 穿限制线
IC
最大电流 限制线
不闩锁、不热电倍增击穿， 坚持10µ s以上，然后能安 全关断
SCSOA
Ipulse=2IC(rating) IC(rating) 静态击穿 限制线 VCE
0
不能只看静态判断是否安全，要看下降过 程的电流、电压的动态轨迹是否越出SOA!
（1）减小IGBT中MOSFET管的沟道宽/长比
能显著减小短路电流
IC(A)
1200
MOSFET决定
800
W ) 减小沟道 ( L
PiN二极管决定
200 400 600 800 1000
400
100 0
VCE(V)
（2）加大元胞中多晶硅宽度
降低局部电流密度→降低局部温度 • 减弱短路时热电载流子倍增效应 • 防止短路时高温晶闸管闩锁
E G
P
N-
N
N
P N
电子流
空穴流 耗尽层
C
局部 热点
N P
C
四、
减小芯片内制造的不均匀性
材料、工艺、封装
• 栅电阻不均匀
→ 栅电阻大的元胞关断的慢，总电流集中于此，烧毁
• 阈值电压不均匀 → 阈值电压低的元胞关断慢，总电流集中于此，烧毁 • 动、静态击穿电压不均匀 → 在局部低击穿电压处形成高压雪崩电流线，烧毁 • 散热不均匀 → 局部高温，烧毁
偏重器件设计制造；时间短只能讲讲提纲
梗
概
第一部分：开关过程中IGBT的失效原因
第二部分：开关过程中IGBT失效现象
第三部分： IGBT抗失效设计制造技术 拾贝 第四部分： IGBT防失效使用注意事项 拾零
第一部分： 开关过程中IGBT的失效原因
一、过温
二、过流 三、过压
四、动态雪崩击穿 五、热电载流子倍增 六、寄生晶闸管闩锁 七、动态寄生晶闸管闩锁
四、动态雪崩击穿
五、热电载流子倍增
栅关断状态 有负载电感的强迫电流 栅开通状态 (关断过程中） (通态短路时）
E N P N 空穴 电子 NN P N P G P N P N耗尽层 N
E
N
G
P
N
空穴流
C
电子流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
耗尽层
C
C
同时有大电流和高压时击穿电压远低于静态雪崩击穿电压
六、寄生晶闸管闩锁
导通状态下闩锁
铝 多晶硅
减小P基区横向电阻，降低NPN管发射极效率
N
P+
P
NN
P
NN
N
P
早期结构
P
改 进
加入P+区
掺杂高，电阻小
沟槽发射极接触 路程短，电阻小
降低源区浓度
α小,不易闩锁
二、 抗动态雪崩击穿失效
使雪崩击穿电流线是自熄灭的
1，选用透明集电极IGBT结构
（NPT-IGBT,FS-IGBT等等）
• 动态雪崩电压具有正温度系数
N+电阻构成EBR （扇形）
N+电阻构成EBR （曲柄型）
第四部分 IGBT使用注意事项 拾零
一、正确理解和应用安全工作区 二、正确选择IGBT
三、几个特别注意点 四、加保护电路
一、
安全工作区（SOA）
含义: 开关过程中IC、VCE的轨迹在 SOA内IGBT不失效
正偏安全工作区(FBSOA)
脉冲电流 IC < ICpulse 直流电流 IC < ICrating 电压 VCE < BVCEO
4.5
发射极镇流电阻(EBR)
防止PT-IGBT局部过热烧毁
镇流电阻的作用：
• 降低短路电流； • 对抗电压负温度系 数造成的电流集中
镇流电阻的效果： • 提高IGBT短路坚固性 • 防止短路时晶闸管静 态闩锁
短路电流
发射极镇流 电阻的实现 举例
短路耐受时间
曲柄型N+源区开口占的比例
常规 (无 EBR)
• 寄生晶闸管闩锁是导致失效的一个主要威胁贯穿 在开关各个阶段
• 动态失效是开关过渡过程中的重大威胁，要引起 足够警惕
第三部分 抗失效IGBT设计制造技术 拾贝
一、 抗晶闸管闩锁失效 二、 抗动态雪崩击穿失效
三、 抗短路失效 四、 减少芯片内不均匀性
五、 发射极镇流电阻
一、
铝 N+ 多晶硅 P
抗晶闸管闩锁
Ic (A) Ipulse=2ICRating ICRating 103 102 伏安特性 PCmax
脉宽
100µ s
单脉冲
150µ s 1ms 10ms
DC
功率(直流或脉冲） PC < 相应PCmax 101 要用热阻图来决定PCmax， 不要用这张图，这是单脉 100 冲的
FBSOA
101 102
103
Vce(V)
反偏(关断)安全工作区(RBSOA)
通态压降限制 Ipulse 安全关断轨迹 最大电流限制 动态雪崩击 穿限制
Ic
不安全关断轨迹
SSCM模式
RBSOA
0
静态雪崩 击穿限制
Vce
不能只看静态判断是否安全，要看下降过 程的电流、电压的动态轨迹是否越出SOA!
短路安全工作区（SCSOA）
CIL
UIS
SC
RG
VGG VGG
RG VGG
VCE
RG
IC
IC
IC 电源 电压 VCC VCE
0
IC
IC
VCC IC VCE
0
VCC VCE 反偏特高应力 RBSOA!
0
VCE VCE 正偏特高应力 FBSOA!
正、反偏皆高应力 SOA
一、箝位感性负载硬开关中IGBT失效现象
• 晶闸管闩锁
• 电源短路
TP
VGG
0
三、负载短路硬开关中IGBT失效现象
开通与通态失效
VCE • 静态晶闸管锁定 • 热电载流子倍增 A B
Vcc RG
L 寄生电感
关断失效: • 动态雪崩击穿 • 动态晶闸管闩锁
C D 关断后失效 （沟槽栅FS-IGBT特有）
VGG
IC
小
结
1. 以上分析了开关各个阶段可能发生的失效
2. 特别值得注意的是：
E N P N G P N
七、动态寄生晶闸管闩锁
关断过程中闩锁
E N P N 空穴 电子 G
P N
N-
空穴流 N-
电子流
耗尽层
N P C
N P C
第二部分： 开关过程中IGBT的失效现象
一、箝位感性负载（CIL)硬开关中
IGBT的失效 二、无箝位感性负载(UIS)硬开关中 IGBT的失效 三、负载短路(SC)硬开关中 IGBT的失效
动态雪崩击穿 !!!
维持电压
I V
要避免动态雪崩烧毁必须：
EIGBT ＜ EAV
消耗在IGBT上 的能量 IGBT的雪 崩能
VCE
Vsus
Ip
对IGBT使用者：降低EIGBT 减小L 、Tp、 VCC ； 对IGBT制造者：提高EAV 避免固定位置雪崩电流线 （分析见后面）
Ic
Vcc RG
VGG Vcc t
二、
针对用途选择IGBT
对同一代技术，低频、高频、短路等坚固 性不能兼顾，要针对用途选器件
IGBT1 低通态电压 低频坚固(高频和短路不坚固) IGBT2 寿命控制 降低了开关损耗 高频坚固(低频和短路不坚固) IGBT3,4 减小沟道宽/长比 ,减小了饱和区电流 降低了关断电压过冲和关断功耗 短路坚固(低频不坚固，高频欠坚固)