新闻  |   论坛  |   博客  |   在线研讨会
引起IGBT失效的原因与保护方法
云汉芯城 | 2019-11-29 13:57:29    阅读:3494   发布文章

  IGBT的使用方法

  IGBT绝缘栅双极型晶体管是一种典型的双极MOS复合型功率器件。它结合功率MOSFET的工艺技术,将功率MOSFET和功率管GTR集成在同一个芯片中。该器件具有开关频率高、输入阻抗较大、热稳定性好、驱动电路简单、低饱和电压及大电流等特性,被作为功率器件广泛应用于工业控制、电力电子系统等领域(例如:伺服电机的调速、变频电源)。为使我们设计的系统能够更安全、更可靠的工作,对IGBT的保护显得尤为重要。

  目前,在使用和设计IGBT的过程中,基本上都是采用粗放式的设计模式——所需余量较大,系统庞大,但仍无法抵抗来自外界的干扰和自身系统引起的各种失效问题。瞬雷电子公司利用在半导体领域的生产和设计优势,结合瞬态抑制二极管的特点,在研究IGBT失效机理的基础上,通过整合系统内外部来突破设计瓶颈。本文将突破传统的保护方式,探讨IGBT系统电路保护设计的解决方案。

  IGBT失效场合:来自系统内部,如电力系统分布的杂散电感、电机感应电动势、负载突变都会引起过电压和过电流;来自系统外部,如电网波动、电力线感应、浪涌等。归根结底,IGBT失效主要是由集电极和发射极的过压/过流和栅极的过压/过流引起。

  IGBT失效机理:IGBT由于上述原因发生短路,将产生很大的瞬态电流——在关断时电流变化率di/dt过大。漏感及引线电感的存在,将导致IGBT集电极过电压,而在器件内部产生擎住效应,使IGBT锁定失效。同时,较高的过电压会使IGBT击穿。IGBT由于上述原因进入放大区, 使管子开关损耗增大。

  IGBT传统防失效机理:尽量减少主电路的布线电感量和电容量,以此来减小关断过电压;在集电极和发射极之间,放置续流二极管,并接RC电路和RCD电路等;在栅极,根据电路容量合理选择串接阻抗,并接稳压二极管防止栅极过电压。

  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PNPN 4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。

  2、先减小栅压后关断驱动信号

  IGBT的短路电流和栅压有密切关系,栅压越高,短路时电流就越大。在短路或瞬态过流情况下若能在瞬间将vGS分步减少或斜坡减少,这样短路电流便会减小下来,长允许过流时间。当IGBT关断时,di/dt也减小。限制过电流幅值。

  该内容是云汉芯城小编通过网络搜集资料整理而成,如果你还想了解更多关于电子元器件的相关知识及电子元器件行业实时市场信息,敬请关注微信公众号【云汉芯城】。

b电子产品世界.fw.png

  (免责声明:素材来自网络,由云汉芯城小编搜集网络资料编辑整理,如有问题请联系处理!)



*博客内容为网友个人发布,仅代表博主个人观点,如有侵权请联系工作人员删除。

参与讨论
登录后参与讨论
云汉芯城(www.ickey.cn)是国内领先的电子产业服务平台,互联网垂直服务领域的明星企业,重点面向电子制造业的中小型企业用户提供电子元器件一站式采购、电子工程师网上社区和企业供应链增值业务等服务。
推荐文章
最近访客