IGBT失效原因分析
变频器IGBT模块损坏的原因、检测方法和维修过程
变频器IGBT模块损坏的原因、检测方法和维修过程导语：变频器在运转中突然发出爆炸声响，同时外接保险烧毁，拆机发现变频器的igbt模块损坏。
经过对相关板卡的测试，发现igbt触发线路损坏，测量其他板块正常。
1、IGBT模块因散热不良导致其损坏变频器在运转中突然发出爆炸声响，同时外接保险烧毁，拆机发现变频器的igbt模块损坏。
经过对相关板卡的测试，发现igbt触发线路损坏，测量其他板块正常。
在拆卸变频器板卡时发现其电源板和电流检测板上有很多的油污和灰尘。
打开变频器的散热片风机，看到散热片上也粘满了油污和杂物，将变频器的散热通道完全堵死。
由此推断变频器的IGBT模块因散热不良导致其损坏。
维修过程：首先将变频器完全拆开，将散热通道的散热片拆下，用空压气体将散热片清理干净，同时将变频器内部结构件和板卡全部清理干净。
安装igbt模块，安装igbt模块时候要按照模块的要求，顺序安装，力矩适度。
修理触发线路，然后依次安装其他器件。
安装结束后进行静态的测试，静态测试结果良好后进行通电测试和带负载试验。
带负载试验合格，顺利完成维修。
经验总结：综合不同型号和不同的使用环境中的数台变频器维修情况，总结出变频器igbt模块损坏的主要原因是使用环境的恶劣，使得门极驱动卡上电子元件损坏以及变频器的散热通道堵塞导致。
最容易损坏的器件是稳压管及光耦。
检查驱动电路是否有问题，可在断电时比较一下各路触发端电阻是否一致。
通电开机可测量触发端的电压波形。
但是有的变频器不装入模块不能开机，这时在模块p端串入假负载防止检查时误碰触发端或其他线路引起烧坏模块。
2、IGBT模块的简单测量方法变频器输出电压不平衡表现为马达抖动，转速不稳，一般没有经验是很难判定是哪路驱动有问题，这时可启动变频器2hz，用万用表直流电压档分别测：p-u、p-v、p-w及u-n、v-n、w-n的电压值，这6路电压这时也会不一样，那一路偏高则这一路有问题，其原理大家可自己画图分析一下。
IGBT损坏原因
4.IGBT损坏的解决对策①过电流损坏为了避免IGBT发生擎住效应而损坏，电路设计中应保证IGBT的最大工作电流应不超过IGBT的IDM值，同时注意可适当加大驱动电阻RG的办法延长关断时间，减小IGBT 的di/dt。
驱动电压的大小也会影响IGBT的擎住效应，驱动电压低，承受过电流时间长，IGBT 必须加负偏压，IGBT生产厂家一般推荐加-5V左右的反偏电压。
在有负偏压情况下，驱动正电压在10—15V之间，漏极电流可在5～10μs内超过额定电流的4～10倍，所以驱动IGBT 必须设计负偏压。
由于UPS负载冲击特性各不相同，且供电的设备可能发生电源故障短路，所以在UPS设计中采取限流措施进行IGBT的电流限制也是必须的，可考虑采用IGBT厂家提供的驱动厚膜电路。
如FUJI公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它们对IGBT的集电极电压进行检测，如果IGBT发生过电流，内部电路进行关闭驱动。
这种办法有时还是不能保护IGBT，根据IR公司的资料，IR公司推荐的短路保护方法是：首先检测通态压降Vce，如果Vce超过设定值，保护电路马上将驱动电压降为8V，于是IGBT 由饱和状态转入放大区，通态电阻增大，短路电路减削，经过4us连续检测通态压降Vce，如果正常，将驱动电压恢复正常，如果未恢复，将驱动关闭，使集电极电流减为零，这样实现短路电流软关断，可以避免快速关断造成的过大di/dt损坏IGBT，另外根据最新三菱公司IGBT资料，三菱推出的F系列IGBT的均内含过流限流电路(RTCcircuit)，如图6，当发生过电流，10us内将IGBT的启动电压减为9V，配合M57160AL驱动厚膜电路可以快速软关断保护IGBT。
②过电压损坏防止过电压损坏方法有：优化主电路的工艺结构，通过缩小大电流回路的路径来减小线路寄生电感;适当增加IGBT驱动电阻Rg使开关速度减慢(但开关损耗也增加了);设计缓冲电路，对尖峰电压进行抑制。
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。
电磁炉烧IGBT原因分析
一、原因分析 二、解决故障的相应对策一、原分析：引起烧IGBT的原因主要是：
1、LC谐振电路震荡形成的高压超过了IGBT的耐压值所致，或选用的IGBT耐压不 够。 2、因同步采样电路故障引起IGBT G极的脉宽调制信号与IGBT C极因LC偕振电路 产生的交流高压不同步导致烧IGBT。 3、由于电路故障的原因导致IGBT G极静态时已有明显的电压，使得IGBT长期处于 导通状态，甚至是通电便烧IGBT。 4 4、由于IGBT热敏电阻绝缘不良导致IGBT C极的直流高压和交流高压通过热敏电阻 IGBT IGBT C 串入片机后烧IGBT。这种故障最为严重，有可能将单片机、LM339、HC164和相 关的其它元件烧毁。 5、因风机故障，风机的电机形成的反峰电压串入18V直流电源而烧IGBT。 6、因热敏电阻不良或单片机不良等原因高温不能做出保护，使得IGBT温度过高， 而烧IGBT。 7、因选用的锅具不合适而烧IGBT。 8、因电磁炉长期使用IGBT老化烧IGBT。
图片
张定东-------制
2006-12-13
电磁炉SF207故障实例分析 故障实例分析 电磁炉
产品型号：美的电磁炉SF207 产品型号 故障现象：开机显示E:07，〈供电电压正常〉 故障现象 故障分析： 故障分析 电源高低压保护电路出现故障会导致上电开机数码管显示E:07—E:08故障代码,因此我们将故障范围确定在 电源高低压保护电路及单片机IC1上。 检测过程： 检测过程 登门维修，按平常维修经验，首先检测用户家，室电是否正常打开后盖发热保险管以被烧坏，其次检测到 IGBT、桥堆均已损坏，按照一般维修经验，更换损坏的IGBT、桥堆、保险、Z50R驱动管Q3Q4后开机原 本以为一切正常了，后加热发现显示E:070，结合故障现象第一反应是电源高低压保护电路及单片机IC1上。 检测步骤： 检测步骤 上电开机，不接线圈盘的情况下，检测电源高低压反馈电路及单片机IC1的第20脚电压〈正常情况下该脚 电压为2.95左右〉首先用万能表测量IC1 20脚电压为0V，然后对相关电路及相关元器件进行检测，首先检 测D5、D6二极管已击穿后，更换新的D5、D6后试机，开机仍显示E:07，逐步检测发现R9与D5、D6整流 之间的直流电压为192V后，经电阻R9降压为0V后断电检测R9电阻由原来的2W330K增加到2W1M多欧姆 后更换新的2W330K电阻后，开机检测经电阻R9降压后输出为2.95V后开机显示一切正常。 总结： 总结 对于电源高低压保护电路故障部位，用不同的机器试机，故障现象有所不同，因为各个芯片检测电压是有 差别的，所以我们在分析故障时，一定要比较准确，全面的了解维修的历史过程及故障现象的所有细节， 只有这样才能少走弯路，提高维修效率。然后，还要从理论上对故障机原理进行正确的分析，从本质认识 故障现象，为今后检测类似故障增加一条正确的维修思路。
风力发电机组变频器IGBT功率模块损坏原因探究孙海东王彦超
风力发电机组变频器IGBT功率模块损坏原因探究孙海东王彦超发布时间：2021-08-09T04:58:55.747Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第8期作者：孙海东王彦超[导读] 根据风电现场出现的实际问题，找到变频器IGBT功率模块损坏的根本原因，制定相关的整改措施。
中广核新能源吉林分公司吉林白城 137000摘要：变频器是风力发电机组的核心部件，随着风机长时间运行，出现设备元器件老化、功率模块炸毁等问题，导致变频器故障频发。
根据风电现场出现的实际问题，找到变频器IGBT功率模块损坏的根本原因，制定相关的整改措施。
关键词：风力发电机组；变频器；IGBT一、故障现象风力发电机组报变频器故障时，风机会自动停机，风机后台监控会报变频器故障，此时需要检修人员到达现场进行故障排查。
由于大岗子风电场风机的变频器故障常常是由于功率模块损坏，2018年功率模块损坏总数量为15个，2019年功率模块损坏总数量为6个，2020年至今功率模块损坏总数量为36个，模块损坏呈现大幅度的上升趋势。
二、原因分析在实际检查及翻阅相关资料后，分析功率模块损坏的各类原因。
部分功率模块进行返修后，发现IGBT、电容、平衡板和放大驱动板存在损坏情况。
通过人、机、料、法、环这五个因素，对变频器功率模块损坏的原因进行分析。
如下图所示：人员境因素分析由于定检人员技术水平过低，工作中不能对变频器进行全方位的检查，不能及时消除变频器相关缺陷，再加上定检超期，不能及时清理功率模块内部的杂物灰尘，造成模块散热不良。
设备因素分析变频器散热不好，直接导致功率模块过热损坏，IGBT功率模块的温度超过晶片的最大温度限定，功率模块过热造成绝缘降低。
由于过电压损坏和静电损坏，IGBT在关断时，由于逆变电路中存在电感成分，关断瞬间产生尖峰电压，如果尖峰电压超过IGBT器件的最高峰值电压，将造成IGBT击穿损坏。
物料因素分析IGBT与散热片连接不紧密，比如导电膏涂抹不当或者已发生失效情况。
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失效分析与应对
We Reach FurtherW R h F thIGBT失效分析与应对AN-17009 Rev.012017年8月目录•失效分析简介•失效分析的流程与主要方法•IGBT常见失效表征公司愿景：做世界功率器件市场知名的民族品牌AN-17009 Rev.012017年8月1•目的：以客观合理分析为基础，预防问题发生为根本目的。
为提高产品应用的可靠性发现解决问题并针对公司产品可能出现的问题做出预防失效分析简介的可靠性，发现、解决问题并针对公司产品可能出现的问题做出预防•分析内容：根据用户的故障结果，确认模块级故障表征，推导应用中所有可能导致故障发生的可能性。
•分析方法：依据用户使用的实际情况结合应用理论提出假设模型，通过测试、数据分析等一切可能的手段确认详细故障原因。
•注意：管控分析周期、分析成本与结果准确性间的平衡公司愿景：做世界功率器件市场知名的民族品牌AN-17009 Rev.01 2017年8月2失效分析的流程与主要方法获得用户反馈的信息外观检查电性能确认必要时进行X-ray、超声波显微镜检测拆解封装确认失效点、现象必要时去除硅胶、拆除芯片光学显微镜检测结合失效表征与用户使用情况分无损检测析确认根本原因破坏性检测公司愿景：做世界功率器件市场知名的民族品牌AN-17009 Rev.01 2017年8月3•失效分析的流程与主要方法FAE处置问题流程1、根据用户反馈的信息，测试IGBT，核实故障情况，初步确认故障原因，提出合理使用意见。
如果可以解决就避免调用更多资源2若无法解决第时间将情况反馈给工程品质部门人员并确认最短的反馈2、若无法解决，第一时间将情况反馈给工程、品质部门人员并确认最短的反馈时间，避免因不确定故障分析周期延误用户生产导致不必要的损失。
3、获得故障分析结果后，结合用户使用情况给出合理的解决方案，必要时跟进用户的改善过程提供技术支持用户的改善过程提供技术支持。
4、根据用户分级划分任务重要级别；基于自身或协同场内资源提高应对处置效率，避免无效沟通及沟通脱节。
H桥,逆变器mos管,igbt烧坏原因分析
一：mos管，igbt损坏的原因有两种，过流和过压。
二：mos管过流2.1：什么是过流，即mos能过通过的额定电流，在mos管的芯片手册上会有相关的参数说明，如果mos管的电流过大，会产生极高的热量，以至于损坏芯片。
2.2：实际案例分析上图是一个逆变器的H桥逆变电路，通过spwm将直流电转换为正弦波交流电。
实际使用过程中，不管是轻负载还是重负载，T3，T6，T4，T7管会偶尔损坏。
造成损毁的原因实际上是过流造成的，那么是怎么过流的呢。
一般情况下，h桥导通的时候，电流流过L1,L2，实际上电流的上升速度不会太快，当电流过大的时候，ITRIP上的电压过大，是可以保护的。
我们先看看mos管的等效模型。
C70是mos的GS之间的等效电容，C69是GD之间的等效电容（在器件手册上为Cres）。
在T8和T9都关闭的时候，假设V1的电压为VCC/2。
当T8导通的时候，V1的电压为VCC。
此时就将对C71,C72,R41充电，T9 mos管GS两端的电压值取决于C71,C72,R41（驱动器件闭合内阻以及回路上的电阻总和）。
如果C71或者R41过大，将会导致GS的电压大于MOS管的阈值电压，上下两管将会同时导通，此时电流非常大，可能烧坏mos管。
怎么避免这种过流烧坏mos管呢：1：减小R41,即闭合的时候，闭合的时候驱动器件闭合内阻以及回路上的电阻总和。
这样可以减小GS上的电压。
2：闭合的时候，拉到负电压，如下图：这样，gs端的电压可以减去VCC1。
3：添加保护电路，在过流的时候关断mos管。
R42是电流采样电阻，如果电流过大，V2的电压升高，保护电路将关闭T8,T9，以保护电路。
实际案例中已经有了过流保护电路了，为何依旧会损坏？因为从mos管过流到mos管关断，这之间是有一段之间的，时间越短，mos管越安全。
一般在5us之内就可以了。
案例中，R11,R12,C21组成了RC滤波电路，其滤波时间（2paiRC）大概为30us，远大于5us，是不可以的。
IGBT 失效分析
失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT
失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT • 8.光学显微镜检测 Optical Microscope
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失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT
分析方法与分析流程 注解Remarks
分析客户反馈的信息 Customer Information
外观检查 Visual Inspection 电性能分析 ELECTRICAL VERIFICATION
失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT • 5.超声波显微镜检测 Ultrasonic Microscope
无损检测 Nondestructive 检测焊层的分层，衬底裂痕 Chip soldering delamination, substrate crack
无损检测 Nondestructive
无损检测 Nondestructive 破坏性检测 Destructive 破坏性检测 Destructive 无损检测 Nondestructive
9
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破坏性检测 Destructive
失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT
• 1.分析客户反馈的信息 Customer Information 反馈信息表 FAR Form IGBT应用的条件 客户观测的故障信息 是否已知故障
IGBT模块失效机理和主动热控制综述
IGBT模块失效机理和主动热控制综述近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。
随着电力电子装置在新能源发电、交直流输配电系统、轨道交通以及电动汽车领域的广泛使用，功率器件朝着高电压等级、高功率密度趋势发展，因此电力电子装置可靠性成为广泛关注的焦点问题。
根据工业报告统计，功率变流器系统故障约有38%源于功率器件的失效，研究表明绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块失效机理复杂，温度、湿度、振动、灰尘和污染都是影响功率器件失效的直接原因。
IGBT模块是变流器内部最贵重的核心器件，也是最容易失效的部件之一，对于电力电子器件的使用寿命要求很少在10年以下，有的甚至要求达到30年。
尤其是海上风电系统，所处地理位置偏远，运行环境较为恶劣，检修非常不便，而由功率器件引起的故障占风电机组故障的比例最高。
因此，研究功率器件失效机理，是设计高可靠性电力电子变换器的必要环节，这对从事电力电子科研和相关工程技术人员也非常重要。
本文就IGBT模块失效机理和主动热控制展開探讨。
标签：IGBT模块;失效机理;主动热控制引言电力电子设备因其能量转换效率高、主动可控性和较快的动态响应速度等优点，广泛应用于对于可靠性需求较高的新能源发电、航空航天、高速机车牵引、混合动力电动汽车和工业电机驱动等领域中。
在这些场合应用时，电力电子设备会面临各种或规律或不规律的功率大波动以及各种周期或非周期性的强机械振动等极端工况，相关统计表明，在光伏发电系统中计划外的检修有37%是由变流器故障引起的。
而在变流器中功率器件常被列为最易失效的部件，同时根据调查，在工业中最常用的功率器件是IGBT。
1功率模块结构组成功率模块主要由表贴型功率器件、陶瓷覆铜板、承载底板、引线端子等构成。
陶瓷覆铜板上的铜箔层为表面贴型功率器件和引线端子提供电气连接，而陶瓷层则保证电气绝缘。
承载底板选择与陶瓷覆铜板材料特性相似的AlSiC基板，为功率模块提供机械安装和导热界面。
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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。
3.采用合适的电压隔离措施，避免ESD等静电放电对IGBT的损害。
4.使用合适的保护电路，如过流保护、过压保护等，及时发现异常情
况并采取相应的措施。
5.选择优质的IGBT产品，确保其质量可靠，减少失效的风险。
总之，IGBT的失效可能是由于过电流、过电压、温度、ESD、动态电
压等因素导致的。
通过合理的设计和保护措施，可以降低IGBT的失效风险，提高设备的可靠性和稳定性。