IGBT非饱和故障
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。
解密变频器维修中的IGBT模块故障
解密变频器维修中的IGBT模块故障IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
北京凌坤电气的资深变频器维修工程师，在平时的变频器维修工作中经常会遇到因IGBT模块损坏导致的故障。
下面我们将对变频器维修中的IGBT模块故障进行深入的探讨。
1.IGBT的特点：（1）栅极的绝缘电阻无穷大，只要向栅极充入一定的正电荷，使得栅极电压大于导通电压，管子就会导通，并且导通程度深，线性范围很窄。
这一点类似于MOS管。
（2）由于栅极的绝缘电阻无穷大，因此电荷能够一直保存，即开通后可以一直开通。
而且当栅极开路时，也常会处于开通状态。
正因为这个特性，驱动IGBT的电路不需要提供很大的持续电流。
但这容易引起误导通，为了防止误导通，栅极G和发射极E之间必须跨接一只电阻。
不少第一次接触MOS管和IGBT 的用户就是因为没有跨接此电阻而烧了管子。
跨接电阻一般为10k欧/0.25W。
（3）栅极电容的耐压是有一点限度的，一般是±20V，当超过此限度，可能会烧坏。
因此，栅极要加一对稳压二极管，用于吸收过高的电压。
稳压二极管一般头对头串联，每只是18V/1W，限制的电压范围是±18.7V左右。
（4）输出极C和E特性类似于三极管，因此具有一定的导通压降，而不是像MOS管那样用导通电阻来衡量。
导通压降与导通饱和度有关，导通饱和度受到栅极电压的影响，因此栅极电压不应太低，虽然IGBT在7V就完全能导通，但标准的栅极驱动电压是15V。
IGBT在应用中碰到的常见问题解决方法
IGBT在应用中碰到的常见问题解决方法1 引言80年代问世的绝缘栅双极性晶体管IGBT是一种新型的电力电子器件，它综合了gtr和MOSFET的优点，控制方便、开关速度快、工作频率高、安全工作区大。
随着电压、电流等级的不断提高，IGBT成为了大功率开关电源、变频调速和有源滤波器等装置的理想功率开关器件，在电力电子装置中得到非常广泛的应用。
随着现代电力电子技术的高频大功率化的发展，开关器件在应用中潜在的问题越来越凸出，开关过程引起的电压、电流过冲，影响到了逆变器的工作效率和工作可靠性。
为解决以上问题，过电流保护、散热及减少线路电感等措施被积极采用，缓冲电路和软开关技术也得到了广泛的研究，取得了迅速的进展。
本文就针对这方面进行了综述。
2 IGBT的应用领域2.1 在变频调速器中的应用［3］SPWM变频调速系统的原理框图如图1所示。
主回路为以IGBT 为开关元件的电压源型SPWM逆变器的标准拓扑电路，电容由一个整流电路进行充电，控制回路产生的SPWM信号经驱动电路对逆变器的输出波形进行控制;变频器向异步电动机输出相应频率、幅值和相序的三相交流电压，使之按一定的转速和旋转方向运转。
2.2 在开关电源中的应用［5］图2为典型的ups系统框图。
它的基本结构是一套将交流电变为直流电的整流器和充电器以及把直流电再变为交流电的逆变器。
蓄电池在交流电正常供电时贮存能量且维持正常的充电电压，处于“浮充”状态。
一旦供电超出正常的范围或中断时，蓄电池立即对逆变器供电，以保证ups电源输出交流电压。
ups逆变电源中的主要控制对象是逆变器，所使用的控制方法中用得最为广泛的是正弦脉宽调制（SPWM）法。
2.3 在有源滤波器中的应用［6］并联型有源滤波系统的原理图如图3所示。
主电路是以IGBT为开关元件的逆变器，它向系统注入反向的谐波值，理论上可以完全滤除系统中存在的谐波。
与变频调速器不同的是，有源滤波器pwm控制信号的调制波是需要补偿的各次谐波的合成波形，为了能精确的反映出调制波的各次谐波成分，必须大大提高载波的频率。
IGBT出现故障怎么办？测试IGBT的方法有哪些？
IGBT全动态参数测试设备，是深圳威宇佳智 能控制有限公司开发制造的一款专业测试设 备，可以测试IGBT、SiC等开通、关断、短路、 栅极电荷以及二极管反向恢复各项动态参数。 同时还能够测试单管、半桥、四单元、六单 元、PIM等绝大多数封装的IGBT模块及DBC。
这台测试设备是半自动化的，可以自动进出料，具有自动短路测试、Qg测试 功能。电压电流规格最大2000V/2000A，短路电流最高5000A，可以按照用户
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IGBT出现故障怎么办？测试IGBT的方法有哪些？
在工作中经常会遇到IGBT出现故障的问题， 想要分析IGBT故障的原因却不知道该怎么做。 有时候还得判断外观完好的IGBT模块是否出 现异常，该用什么方法去测试呢？
一般情况下，可以选择使用数字万用表，来 快速判断IGBT的好坏。使用万用表的二极管 档来测试FWD芯片是否正常；用电阻档判断 CE、GE、GC有没有发生短路；用电容档来测 试门极正常正常与否。不过这些方法也只能 作为初步判别手段，并不具有通用性。想要 更加准确地判断IGBT出现故障的原因，还需 要使用到专门的测试设备。
IGBT故障原因分析
IGBT故障原因分析O 引言目前，功率模块正朝着集成化、智能化和模块化的方向发展。
功率模块为机电一体化设备中弱电与强电的连接提供了理想的接口。
在任何运行状态下，功率模块都需要受到保护，以避免其承受不允许的电流应力，也就是说，避免功率模块的运行区超出所给定的安全工作区。
超出安全工作区运行将导致功率模块受损伤，其寿命会由此而缩短。
情况严重时还会立刻导致功率模块的损坏。
因此，最重要的是先检测出临界的电流状态和故障，然后再去恰当地响应它们。
本文的叙述主要是针对 IGBT 的过电流保护，但是，也可以类推应用到功率 MOSFET。
1 故障电流的种类故障电流是指超过安全工作区的集电极或漏极电流。
它可以由错误的控制或负载引起。
故障电流可通过以下机理导致功率半导体的损坏；1)由高功率损耗导致的热损坏；2)动态雪崩击穿；3)静态或动态的擎住效应；4)由过电流引起的过电压。
故障电流可进一步划分为过电流、短路电流及对地故障电流。
1.1 过电流特征：1)集电极电流的 di／dt 低(取决于负载电感和驱动电压)；2)故障电流通过直流母线形成回路；3)功率模块没有离开饱和区。
起因：1)负载阻抗降低；2)逆变器控制出错。
1.2 短路电流特征：1)集电极电流急剧上升；2)故障电流通过直流母线形成回路；3)功率模块脱离饱和区。
起因：1)桥臂直通短路(图 l 中的情况 1)一一由于功率模块失效而引起；一一由于错误的驱动信号而引起。
2)负载短路电流(图 l 中的情况 2)一一由于绝缘失效而引起；一一由于人为的失误而引起(例如误接线)。
1．3 对地故障电流图 l 中的情况 3。
特征：1)集电极电流的上升速度取决于接地电感和作用于回路的电压；2)对地故障电流不经过直流母线形成封闭回路；3)功率模块脱离饱和区与否取决于故障电流的大小。
起因：由于绝缘的失效或人为的失误使带电导线和大地电位之间存在连接。
2 ICBT 和 MOSFET 在过载及短路时的特性2.1 过电流原则上，器件在过电流时的开关和通态特性与其在额定条件下运行时的特性相比并没有什么不同。
IGBT——过流、短路保护
IGBT——过流、短路保护短路与过流之前我们介绍过IGBT的短路测试，今天我们来聊聊IGBT短路和过流时该如何保护。
首先一点，对IGBT的过流或短路保护响应时间必须快，必须在10us以内完成。
一般来说，过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障和损坏IGBT的主要原因之一，过流保护应当首先考虑。
过流与短路保护是两个概念，它们既有联系也有区别。
过流大多数是指某种原因引起的负载过载；短路是指桥臂直通，或主电压经过开关IGBT的无负载回路，它们的保护方法也有一定区别。
如过流保护常用电流检也传感器，短路保护常通过检测IGBT饱和压降，配合驱动电路来实现。
不同的功率有不同的方法来实现过流或短路保护。
短路分为一类及二类两种，但这两种短路都有一个共同点，那就是，IGBT会出现“退饱和现象”，当IGBT一旦退出饱和区，它的损耗会成百倍的往上升，那么允许持续这种状态的时会非常苛刻了，只有10us，我们需要靠驱动器发现这一行为并关掉门极。
IGBT过流的情况则是，回路电感较大，电流爬升很慢（相对于短路），IGBT不会发生退饱和现象，但是由于电流比正常工况要高很多，因此经过若干个开关周期后，IGBT的损耗也会比较高，结温也会迅速上升，从而导致失效。
在这时，IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的，因为IGBT的饱和压降的变化很微弱，驱动器通常识别不到这种变化。
所以需要靠电流传感器来感知电流的数值，对系统进行保护。
所以，我们认为，IGBT驱动器是为了解决短路保护，而过流保护则是由电流传感器来完成。
IGBT发生短路时，描述短路电流的数学表达式如下，这是一个线性方程。
它表示，在短路发生时，电流的绝对值与电压，回路中的电感量，及整个过程持续的时间有关系。
绝大部分的短路母线电压都是在额定点的影响短路电流的因素主要是“短路回路中的电感量”。
因此对短路行为进行分类定义时，短路回路中的电感量是主要的分类依据。
如果短路回路中的电感量再继续增大，那么电流变化率就变得更低，此时就不是短路了，变成“过流”了。
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IGBT非饱和故障
随着电力电子技术的不断发展，和IGBT的广泛使用，越来越多的工程师遇到了IGBT非饱和故障的问题。
本文将从IGBT非饱和故障的基本原因，影响因素，以及解决方法等方面进行阐述。
一、IGBT非饱和故障的基本原因
IGBT非饱和故障原因可以从以下两个方面进行阐述：
1.瞬间集电极电压峰值过高导致
IGBT在开关过程中，由于开关速度较快，开关瞬间会产生高电压的功率脉冲，这会导致集电极电压峰值瞬间升高。
如果电路参数设计不合理或者失效，集电极电压峰值过高，就有可能引起IGBT非饱和故障。
2.长期工作导致的热损伤
IGBT在工作过程中会产生大量的热量，如果导热不良或者散热不好，则会导致IGBT的温度升高，进而失去稳定工作的条件。
当IGBT的温度超过了限值，则出现非饱和故障。
二、IGBT非饱和故障的影响因素
IGBT非饱和故障的难点就在于，在现场很难发现出来。
以下是IGBT非饱和故障的影响因素：
1. 环境温度和湿度
在高温高湿的环境下，IGBT所在的系统中的电子元器件散热能力将受到限制。
长时间运行，造成IGBT的非饱和故障。
2. 开关速度
当IGBT打开或关闭时，开关速度较快，可以导致电反馈电压、电荷耦合等现象，从而已引起IGBT非饱和故障。
3. 外部负载
长期工作在重载下，会导致IGBT的电压、电流频繁变换，使得IGBT 失去稳定性。
三、IGBT非饱和故障的解决方法
IGBT非饱和故障的解决方法分以下两个方面：
1.电路设计和参数设置
电路和参数设置是防止IGBT非饱和故障的最直接有效的方法。
在IGBT 的开关过程中，设计一个合理的电路以及参数，可以解决电压和电流发生瞬间变化的问题，从而防止IGBTnon-saturation故障的发生。
2. 散热设计
散热的设计是能够有效提高IGBT的使用寿命的关键点。
因此，在IGBT 的使用中，散热方式的设计非常重要。
目前比较流行的散热方式主要有风扇散热、水冷、铝型材散热等。
合理的散热设计可以避免IGBT过热而出现故障。
以上是关于IGBT非饱和故障的阐述。
在工程设计或者使用过程中，我们应该尽量避免IGBT出现该故障，从而保证电力设备的正常运行。