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。从静电对器件损伤后的失效模式来看，不仅有PN 结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。

3 过热损伤

过热损坏一般是指使用IGBT 的结温Tj 超过晶片的最大温度限定，目前的IGBT 器件还是以0150JM A X T C 的NPT 技术为主流的，为此在IGBT 应用中其结

温应限制在该值一下。

4 过电流

4．1 擎住效应

由于IGBT 是复合器件，其体内存在一个寄生晶闸管，在NPN 管的基极和发射极之间存在一个体驱短路电阻h r R ，在规定的漏极电流范围内，P 型体区的

横向空穴流会产生一定的压降，对J3结而言相对于一个正偏置电压。在规定的漏记电流范围内，NPN 晶体管的正编压不足以使NPN 和PNP 管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，栅极失去控制作用，便发生了锁定效应，它使集电极电流Ic 增大，进而造成过高的功耗而导致IGBT 器件的损坏。

4．2 长时间过流运行

IGBT 长时间过流运行是指IGBT 的运行指标达到或超过反向偏置运行安全工作区所限定的电流安全边界，这导致IGBT 因为长时间过电流而发热损坏。

4．3 短路

IGBT 所承受的电流值达到或超过短路安全工作区所限定的最大边界，如4-5倍额定电流时须在10us 之内关断IGBT 。如果此时IGBT 所承受的最大电压也超过器件标称值，IGBT 必须在更短时间内被关断。

IGBT 的短路主要有两种:

1. IGBT 从断态直接进入短路状态。在短路开始时，集电极和发射极之间

的电压是直流母线电压。在集电极电流上升过程中，由于短路寄生电感上的电压，集电极=发射极有微小的减少。当集电极电流达到稳态时，集电极-发射极又等于直流母线电压，因此，集电极=发射极电压在整个短路期间都很大，等于直流母线电压。

2. IGBT 从正常导通状态进入短路，由于短路的电流迅速上升，IGBT 退出

饱和状态。集电极-发射极的上升产生流过米勒电容G C C 的电流G C I ，这个电流在关断电阻上产生压降，导致IGBT 的栅极电压在短路瞬间升高，使短路电流在栅极电压回落到正常值之前出现很大的尖峰。