键合线故障下IGBT的电磁干扰特性研究
关于IGBT启动电流大的分析与研究(全文)
关于IGBT启动电流大的分析与研究(全文) 【摘要】在电磁炉工作启动瞬间，由于是在硬开关下开始启动的，故开通启动电流非常大，有时可达100A以上，而目前电磁炉行业常使用的IGBT―H20R1203规格最大脉冲电流只能允许60A。
过大的启动电流是烧坏IGBT的因素之一，通过研究IGBT的特性，改变IGBT驱动电源，可有效降低IGBT启动电流，实践验证，将IGBT驱动电压由18V 改成12V，IGBT检锅时，IGBTCE电流可降低18A左右，启动电流降至规格要求附近。
【关键词】电磁感应加热;电磁炉;IGBT启动;IGBT驱动电源;IGBT 电压;IGBT电流1.引言目前在中低功率（2200W以下）电磁炉电控系统中，用得最多的是单管结构，即采用1个IGBT作为高频开关控制谐振回路。
在IGBT 启动后，一般是ZVS（零电压开关）状态，故IGBT在过零电压导通，电流与损耗都非常小，IGBT处于安全工作区。
但是，在启动时刻，IGBT 是在高电压下开通，此时会有一个非常大的脉冲电流。
如果脉冲电流过大，就会可能烧坏IGBT，影响系统的可靠性。
图1电磁炉单管电路主图2.分析在电磁炉未加热，待机状态，此时IGBT驱动电平为0，IGBT不开通。
假设输入火线与零线间输入电压时220V，则整流桥堆（BD1，如图1所示）输出的电压为220*=311V，此电压经过L2，此时L2相当于短路，因此311V直流电压加在IGBT的C极上。
实测开通时波形如图2所示。
图2IGBT开启时刻电压电流波形由图2可知，IGBT的电流上冲到72.6A，而目前电磁炉使用的IGBT，型号一般为H20R1203，其电路符合，封装，部分极限参数如下，图示最大规格是60A。
图3IGBT相关参数1原则上IGBT应用时是不应该超出其规格范围，否则就会超出IGBT 承受能力而烧坏IGBT。
因此，解决关于IGBT启动电流大问题非常重要。
从以上分析可知，开启时IGBT电压过高时其中一个因素，那么如果能够降低IGBTC极电压，那么其启动电流必小。
IGBT的基本特性仿真研究
删 啦
电 压（ ”
图４ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ的输出特性（ Ｚ Ｔ ） 时的仿真特性曲线 ， 如 图 ５和图 ６所示． 图 ８ 栅极驱动 电压波形
与发射极间电压为 ３ ０ Ｖ， Ｒ ｌ ＝ ０ ． ０ ５ ｍＯ， 仿真温度是 ２ ５ ℃． 阀值 电压计算值为 ４ ． ３ Ｖ， 与仿 真波形显示相符．
Ｅ发射极
图 １ 简化结构图
从简化结构可以看出 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ相 当于两个级 ： 输入级 和输 出级． 其中， 输 入级是 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ， 输 出级 是 Ｐ Ｎ Ｐ晶体管 ． 输入 控制着输 出 ， 是一种电压控制型器件 ． 其开通和关断是 由栅
激励信号采用脉 冲源 ， 周期选 为 １ ０ ０ ｕ ｓ ， Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ栅极驱动
电压波形如图 ８ 所 示． 集射极 间电压为 ３ ０ ０ Ｖ， 负载 电感和 电 阻分别取 ０ ． ０ ３ ５ ｍ Ｈ、 ５ ０ Ｑ．
Ｖｏ １ ． ２ ９Ｎ ｏ ． ８ Ａｕ ｇ２ ０ １ ３
Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ的基本特性仿真研究
郝保 明， 许海峰 ， 李 彪 ， 陈欣欢
（ 宿 州 学院
摘
机械 与 电子 工程 学院 ，安徽
宿州 ２ ３ ４ ０ ０ ０ ）
要 ：本 文 首先 从 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 内部 结 构 组 成 和 工作 原 理 两方 面 出发 ， 阐述 了一 种 新 的 简便 的 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 建模 方 法 ， 利 用 此 方 法
第２ ９卷 第 ８期（ 上）
２ ０ １ ３年 ８月
赤 峰 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｆ ｅ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
IGBT的驱动特性及功率损耗计算
IGBT的驱动特性及功率损耗计算作者：海飞乐技术时间：2017-05-17 15:361.IGBT的驱动特性1.1驱动特性的主要影响因素IGBT的驱动条件与IGBT的特性密切相关。
设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和dv/dt引起的误触发等问题。
栅极电压Uge增加(应注意Uge过高而损坏IGBT)，则通态电压下降(Eon也下降)，如图1所示(此处以200 A lGBT为例)。
由图中可看出，若Ugc固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高。
如图1a，电流容量将随结温升高而减少(NPT工艺正温度特性的体现)如图1b所示。
图1 栅极电压Uge与Uce和Tvj的关系栅极电压Uge直接影响IGBT的可靠运行，栅极电压增高时有利于减小IGBT的开通损耗和导通损耗，但同时将使lGBT能承受的短路时间变短(10 µs以下)，使续流二极管反向恢复过电压增大，所以务必控制好栅极电压的变化范围，一般Vge可选择在-10~+15 V之间，关断电压-10V，开通电压+15V。
开关时Uge与lg的关系曲线见图2a和图2b所示。
图2 开关时Uge与Ig的关系曲线栅极电阻Rg增加，将使IGBT的开通与关断时间增加，使开通与关断能耗均增加，但同时，可以使续流二极管的反恢复过电压减小，同时减少EMI的影响。
而门极电阻减少，则又使di/dt增大，可能引发IGBT误导通，但是，当Rg减少时，可以使得IGBT关断时由du/dt所带来误触发的可能性减小，同时也可以提高IGBT承受短路能量的能力，所以Rg 大小各有好坏，客户可根据自己设计特点选择。
图3为Rg大小对开关特性的影响，损耗关系请参照图4所示。
图3Rg大小对开关特性的影响(di/dt大小不同)图4 门极电阻Rg与Eon/Eoff由上述可得IGBT的特性随门极驱动条件的变化而变化，就象双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基板驱动而变化一样。
但是lGBT所有特性难以同时最佳化，根据不同应用，在参数设定时进行评估，找到最佳折冲点。
电磁兼容干扰解决方案(3篇)
第1篇一、引言随着科技的发展，电子产品在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。
然而，在电子产品广泛应用的同时，电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）问题也日益凸显。
电磁兼容性是指电子设备在正常工作状态下，能够承受一定范围内的电磁干扰，同时不会对其他设备产生干扰的能力。
本文将针对电磁兼容干扰问题，探讨一系列解决方案。
二、电磁兼容干扰产生的原因1. 设备自身产生的干扰（1）电路噪声：电子设备在工作过程中，由于电路元件的非线性、电路设计不合理等原因，会产生电路噪声。
（2）开关电源产生的干扰：开关电源在转换过程中，会产生高频谐波、尖峰脉冲等干扰信号。
（3）数字电路产生的干扰：数字电路在工作过程中，由于时钟信号、数据信号等的高速切换，会产生电磁干扰。
2. 外部电磁干扰（1）工业、科研等领域的电磁辐射：如高频设备、雷达、无线电发射台等。
（2）自然界的电磁干扰：如雷电、太阳黑子活动等。
（3）其他电子设备的干扰：如邻居家的电视、无线网络等。
三、电磁兼容干扰解决方案1. 设计阶段（1）电路设计：采用低噪声元件、优化电路布局、降低电路开关速度等手段，减少电路噪声。
（2）电源设计：选用低噪声开关电源，优化电源滤波电路，降低开关电源产生的干扰。
（3）数字电路设计：合理设计时钟信号、数据信号等，降低数字电路产生的干扰。
2. 结构设计（1）屏蔽：采用金属屏蔽盒、屏蔽罩等手段，隔离电磁干扰。
（2）接地：合理设计接地系统，降低电磁干扰。
（3）滤波：在电路中添加滤波器，滤除干扰信号。
3. 电磁兼容测试与整改（1）电磁兼容测试：对产品进行电磁兼容测试，找出干扰源。
（2）整改：针对测试结果，对产品进行整改，降低电磁干扰。
4. 电磁兼容认证（1）EMC认证：根据相关法规和标准，对产品进行电磁兼容认证。
（2）持续改进：在产品设计和生产过程中，持续关注电磁兼容问题，不断改进产品性能。
四、电磁兼容干扰解决方案的实施1. 制定电磁兼容计划明确项目目标、责任分工、时间节点等，确保电磁兼容解决方案的实施。
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。
功率半导体IGBT失效分析与可靠性研究
功率半导体IGBT失效分析与可靠性研究摘要：目前，IGBT是绿色经济领域的核心技术之一，应用于航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。
作为自动控制和功率转换的关键核心部件，IGBT是不可或缺的功率核心。
利用IGBT进行电能转换，可以提高电能效率和质量，达到30%~40%的节能效果。
即使用IGBT技术改造传统设备，平均节电率仍可提高20%。
此外，IGBT也是实现能源转换的关键部件，光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都需要使用IGBT产品向电网输送电能。
关键词：主动式PFC升压电路；IGBT；SOA；闩锁效应；ESD；结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析，分析结果表明：经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种原因导致，IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析论证后从IGBT本身及电路设计方面全部提升IGBT工作可靠性。
一、分析及生效机理1.失效器件无损检测分析。
（1）X-ray透射分析。
失效IGBT表面无损伤，万用表测试1、2、3脚互相短路，X光透射内部IGBT芯片金线焊接等无异常，芯片表面有烧毁点，分析内部过电损伤导致失效。
（2）开封解析。
对主板失效IGBT进行开封解析，内部芯片表面有击穿烧痕迹，IGBT失效均为有源区（active area）受到高能量损坏，分析主要为过电击穿失效。
IGBT等效电路如图1所示。
图1 IGBT结构描述（3）失效IGBT应用电路。
如图2，红框部分为PFC电路整流滤波部分，C401电容具有滤波和抑制EMI作用，PFC主电路部分由PFC电感L3、IGBT及快恢复二极管D901组成。
当IGBT闭合时电感L3充能，IGBT断开时电感L3释放电能。
IGBT应用电路结构图如图2所示。
图2 IGBT应用电路二、失效原因及失效机理分析经过对失效IGBT器件ESD能力检测、极限参数测试分析（极限耐压、SOA安全工作区、开关损耗、）、应用环境、驱动电路设计、整机工作波形分析、热设计分析发现其存在众多不足，总结归纳如下。
IGBT并联解决方案
IGBT并联解决方案一、简介IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高压、高电流功率开关器件，广泛应用于电力电子领域。
IGBT并联解决方案是指将多个IGBT器件并联使用，以提高功率处理能力和系统可靠性。
本文将详细介绍IGBT并联解决方案的设计原则、优势和应用场景。
二、设计原则1. 电流均衡：IGBT并联时，要保证每个器件承担的电流相等，以避免因电流不均衡导致器件过热、寿命缩短等问题。
可以通过合理的电流分配和电流检测电路来实现电流均衡。
2. 热量均衡：IGBT并联时，要保证每个器件的温度分布均匀，以避免因热量不均衡导致器件热点过高、热应力增大等问题。
可以通过散热设计、热敏电阻监测和温度反馈控制来实现热量均衡。
3. 电压均衡：IGBT并联时，要保证每个器件承受的电压相等，以避免因电压不均衡导致器件击穿、损坏等问题。
可以通过电压均分电路和电压检测电路来实现电压均衡。
4. 驱动匹配：IGBT并联时，要保证每个器件的驱动信号相同，以避免因驱动不匹配导致器件开关速度不一致、电流冲击等问题。
可以通过驱动电路设计和驱动信号同步控制来实现驱动匹配。
三、优势1. 提高功率处理能力：IGBT并联解决方案可以将多个低功率的器件组合成一个高功率的系统，从而提高功率处理能力，满足大功率负载的需求。
2. 提高系统可靠性：IGBT并联解决方案采用多个器件并联，当其中一个器件发生故障时，其他器件可以继续工作，从而提高系统的可靠性和容错能力。
3. 分担热量：IGBT并联解决方案可以将负载电流均匀分配到多个器件上，从而减少每个器件的热量，延长器件的寿命，并提高系统的稳定性。
4. 降低开关损耗：IGBT并联解决方案可以将负载电流分散到多个器件上，降低每个器件的开关损耗，提高系统的效率和节能性。
四、应用场景1. 变频器：IGBT并联解决方案广泛应用于变频器领域，用于驱动电机、控制电压和频率，实现电机的无级调速和节能运行。
电磁炉功率管（IGBT）驱动电路工作原理
电磁炉功率管（IGBT）驱动电路工作原理电磁炉中的IGBT管驱动保护电路如下图所示。
该电路采用的是单电源15V供电方式，IGBT管的栅极电压可以为+15V，以保证IGBT管的正常导通与关断。
IGBT管的控制输入信号由A点输入，当输入高电平的时候，Q4导通，则B点为高电平，从而驱动Ql导通，Q2截止，使得D点电压为+15V，然后通过电阻R2驱动IGBT管。
此时VD4相当于开路，R2为断开的。
VD1、VD2为15V的稳压二极管，它们可以控制IGBT管的G点电压在15V，控制IGBT管导通。
当A点输入的是低电平时，Q4截止，B点为低电平，从而驱动Q2导通，Ql截止，D点电平较低。
这时Rl 与R2认为是并联的，使得IGBT管呈截止状态。
IGBT管的短路电流的大小与栅极电压有关，在实际应用中，可以通过减少栅极电压来降低短路电流或延长承受短路电流的时间。
在电磁振荡过程中，其振荡频率为30～40kHz，在一个周期中IGBT管开通的时间是15～25μs。
当发生过流情况时，IGBT管的c、e极两端的电压会升高，使得VD7相当于断开了，这时IGBT管导通，B点电压为15V，二极管VD6导通，然后通过R6、R7为电容器Cl充电。
如果过流时间超过2μs，C点的电压使得稳压二极管VD5导通，导致Q3处于导通状态。
在该电路中，选用的稳压二极管VD3为10V的，这样由于VD3的钳位作用，可有效地降低IGBT管的栅极电压UGE。
根据IGBT管的驱动特性，可以延长IGBT管的短路电流的承受时间。
在电磁振荡电路中，IGBT管开启的时间很短，采取这种降低栅极电压的方法可以有效地保护器件。
两个稳压二极管可以有效地钳位D点的电压不超过15V。
在D点与地线之间接上一个几十千欧的电阻，这样可以作为栅极驱动电压的过压保护。
在IGBT管关断的时候，二极管VD4导通，此时栅极电阻RG则相当于是Rl与R2两个电阻并联的阻值，这样使得栅极电阻RG 更小，可以有效地起到集电极电流变化过大的保护作用。
IGBT新技术与故障解决
IGBT新技术与故障解决1 引言随着变频市场的逐步发展，igbt需要不断地更新换代，以适应市场对更高功率密度、更大容量、更小封装体积模块的需求，这是一种大趋势。
德国优派克(eupec)公司最新推出igbt3模块，在同样封装体积时，其电流密度增加了50％，同样额定电流下，其体积更小、功率密度更高。
2 新技术介绍- igbt3优派克igbt3技术，是在原来npt技术基础上发展起来的最新一代—场终止(field-stop)技术，所谓沟槽栅npt，它能更好地协调igbt的稳定性、开关损耗和导通损耗之间的关系，既具有平板珊的稳定性同时也具有沟槽珊的低饱和压降(vcesat)的特点;稳定性加强了，模块工作起来就更可靠，故障率大大下降;而饱和压降的降低更使模块的动态损耗得以减少，发热量更少，从而使模块的寿命更长，系统的保护回路也得以简化;而最大获益的是，igbt3晶片所能承受的最高结温为175℃，比原来npt晶片超出25℃，这是一种技术的新突破，它使得igbt 模块在过热保护设计中更加容易，裕量更大，运行更加安全可靠。
3 故障分析与igbt3的特性从使用的经验来看，igbt出现故障归结有以下3大原因:过热、过压、过流。
3.1 过热一般指使用中igbt模块的结温tj超过晶片的最大温度限定;截至目前市场上流通的都还是以tjmax=150℃的npt技术igbt 模块为主流，优派克igbt3模块的出现，其最大结温tjmax=175℃，无疑将大大减少行业中igbt模块由于温度问题所带来的故障率，也相对降低了系统对散热器、热回路设计的要求。
3.2 过压可分为集射过压、栅射过压、高dv/dt所致过压等几类，大多数的过压保护用户一般都比较重视，保护电路设计的也比较到位，但是对于由高dv/dt所致的过压故障，用户基本上都只采用无感电容或者rcd结构吸收而已，重视不够;可能有不少用户碰到过类似下面情况，就是有些应用，在igbt出现故障前，什么征兆都没有，莫名其妙就坏了，换模块之后问题解决，就是找不到原因，老怀疑模块质量问题，其实这里头，关断瞬间过高的dv/dt导致过压所占的比例不小，吸收不够，而简单又有效的保护方法就是采用电压嵌位，往往在集-珊两端并接齐纳二极管(推荐使用美国diodes公司的1.5kexxa产品系列)，采用门极电压动态控制，当集电极电压瞬间超过齐纳二极管的嵌位电压时，超出的电压将叠加在门极上(米勒效应起作用)，避免了igbt因受集射过压而损坏。
一种脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路的设计研究
一种脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路的设计研究脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路是一种广泛应用于电力电子领域的关键技术，能够有效实现IGBT开关管的高效驱动和隔离保护。
本文将对脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路进行设计研究，探讨其原理、设计方法和应用。
一、脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路原理脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路由输入端、隔离变压器、信号处理电路、输出端等部分组成。
其工作原理如下：输入信号经过信号处理电路进行信号调理和隔离，然后通过隔离变压器进行电气隔离，并通过输出端输出给IGBT管进行控制。
由于脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路具有电气隔离、抗干扰能力强等优点，因此在高压、高功率的电力电子设备中得到广泛应用，如逆变器、变频器、交流电源等。
二、脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路设计方法1.选择合适的隔离变压器：隔离变压器是脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路中的关键部件，其质量直接影响到整个电路的性能。
因此在设计电路时应选择符合要求的隔离变压器，需考虑其绕组匝数、匝比、耐压等参数。
2.设计信号处理电路：信号处理电路对输入信号进行处理和隔离，以适应IGBT的工作要求。
通常包括滤波器、隔离元件、整流电路等部分，保证输入信号干净稳定。
3.设计输出端电路：输出端电路主要是将隔离后的信号输出给IGBT 管，需要考虑输出端的电压、工作频率、功率等参数，以确保可靠且高效地驱动IGBT。
4.搭建和调试电路：设计完成后需要进行电路搭建和调试，检查电路连接是否正确、各部分工作是否正常，如果有问题及时排除。
三、脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路应用脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路广泛应用于各种高压、高功率电力电子设备中，如逆变器、变频器、交流电源等。
通过电气隔离和高效驱动，提高了电路的稳定性和可靠性，减小了电路对外部干扰的敏感度，在高电压、高频率的环境下能够更好地发挥作用。
综上所述，脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路设计研究对于提高电力电子设备的性能和可靠性具有重要意义。
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键合线故障下IGBT的电磁干扰特性研究李豹;杜明星;唐吉林;张刚;魏克新【摘要】IGBT module of power electronic devices exist many fault types, and bonding wire off fault is the most common one, how to determine the occurrence of IGBT bonding wire off fault has become a research difficulty. By analyzing the mechanism of bonding wires off and the effect of IGBT switching process when a fault occurs, shows that bonding wire failure will cause the electromagnetic interference becomes large during the IGBT module working process, and has been verified by experiment. The result show that it is feasible to diagnose IGBT module has a bonding wire off fault by monitoring the intensity of electromagnetic interference of the circuit, and it has some practical engineering.%电力电子装置中的IGBT模块存在多种故障类型，键合线脱落故障是其中最常见的一种，如何判定IGBT发生键合线脱落故障成为一个研究难点。
通过分析键合线的脱落机理和发生故障时对IGBT开关过程的影响，可以得出键合线故障会导致IGBT模块工作过程中产生的电磁干扰变大，然后通过实验进行验证。
结果表明，通过监测回路中电磁干扰强度来诊断IGBT模块发生键合线脱落故障是可行的，且具有一定的工程实际意义。
【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】4页(P52-54,61)【关键词】绝缘栅双极型晶体管;键合线脱落故障;电磁干扰【作者】李豹;杜明星;唐吉林;张刚;魏克新【作者单位】天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室天津理工大学，天津300384;天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室天津理工大学，天津 300384;天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室天津理工大学，天津 300384;国网蓬莱市供电公司，山东烟台 265600;天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室天津理工大学，天津 300384【正文语种】中文【中图分类】TM937绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）具有开关速度快、驱动功率小的特性以及高耐压、大电流、低导通压降的特点，是一种适用于大中功率应用的电力电子器件。
IGBT现在已经广泛应用于电动汽车、船舶、新能源发电、以及航空航天等关键领域[1]。
IGBT作为逆变系统的核心器件，一旦出现故障就会产生更为严重的电磁干扰，进而会影响到整个系统的正常运行[2]。
因此，掌握IGBT故障早期的特性和参数变化规律之后，就可对器件进行监测，若一旦发现功率器件出现异常迹象或该迹象具有发展趋势，就可认定该器件有发生故障的可能并在故障发生早期采取相应措施,防止故障、尤其是防止突发性故障的发生，从而避免重大安全事故和经济损失。
键合线脱落是IGBT模块最常见的故障之一，通过监测IGBT模块工作过程中的电磁干扰特性可以诊断其键合线故障情况。
1.1 键合线脱落机理分析键合线在IGBT模块内部是最脆弱的部分之一，键合线脱落是IGBT最常见的故障类型之一，其发生脱落的主要部位在IGBT芯片的镀铝层与键合线的焊接处[3]。
IGBT模块的截面示意图如图1所示。
由于IGBT工作于高频开关状态时，其快速开关产生的高dv/dt和di/dt会导致整个模块承受巨大的热冲击，芯片温度会产生剧烈变化[4]。
而IGBT结构由多层不同材料组成，且每层材料膨胀系数（CTE）不尽相同，长期重复的热膨胀将导致焊料脱落或强度下降并降低IGBT的寿命和可靠性。
在模块实际工作中，相邻芯片连接处、焊料层和键合引线及键合处受到功率循环产生的热应力的反复冲击，导致焊料层因材料疲劳出现裂纹，裂纹逐步向中心部分延伸，最终导致键合线的完全脱落[5,6]。
功率模块的各芯片均是通过多根键合线并联连接，当其中一根键合线出现脱落故障后，流过余下每根键合线的平均电流值增大，进而加速剩余键合线的脱落，最终导致整个IGBT模块故障。
1.2 键合线故障对IGBT开关过程的影响由相关文献可知，IGBT内部键合线脱落会对其内部的等效电容产生较大影响[7]，而等效电容又跟IGBT的开关过程有直接关系。
IGBT极间等效电容示意图如图2所示。
其中Cox与耗尽层电容Cdep串联为栅集极间电容Cgc。
从IGBT的极间等效电容电路可以导出栅极电流Ig的计算公式为：以IGBT导通阶段为例，其电压波形如图3所示。
由文献[3]和[8]可知：在t1—t2阶段时，由于集电极还未导通，此时的等效电容主要是Cge。
而当IGBT内部键合线脱落后，会导致电容Cge减小，若要保持栅极电流保持不变，则需要使Vge的变化率dVge/dt增大，即IGBT的开通波形的上升速度变大。
在t2—t3阶段时，由于米勒效应使得栅极电压不发生变化，此时栅极电流只与公式（1）的第二项有关。
键合线的脱落导致电容Cgc减小，若要保持栅极电流保持不变，则需要使Vce的变化率dVce/dt增大，从而使得平台期缩短。
在t3之后的阶段，在此阶段Vce接近饱和电压，由于键合线的脱落会使得公式（1）中的电容值减小，若要保持栅极电流保持不变，应使Vge的变化率dVge/dt增大。
综上可知，在IGBT导通阶段，当键合线发生脱落故障时，会导致其电压变化率dv/dt要比健康状态下的变化率大，从而会使得IGBT产生的电磁干扰更大。
实验的主电路原理图如图4所示实验中所使用的IGBT型号为SKM300GB123D。
图4所示的测试电路中各个器件的参数如下：Vdc是由可编程直流电源提供，其值为30V；Vg由开关电源提供，其值为15V；电阻R为可调电阻负载。
设置驱动电路输出PWM信号的占空比为0.5，频率为1kHz，电阻负载设为10Ω。
按照图4所示的原理图搭建的实验平台如图5所示。
图5中所示的设备分别为：数字1表示为IGBT模块，数字2表示为EMI测试接收机，数字3表示为驱动电路，数字4表示为直流电源，数字5表示为电阻负载，数字6表示为LISN。
实验方案：对图5所示的实验平台，分别使用无故障和有故障的IGBT模块进行性能测试。
主要测试内容包括：栅极-发射极之间的极间电压，不同状况下回路中的电磁干扰强度。
实验过程中通过人为将IGBT模块内部键合线挑断来模拟正常老化而导致的键合线脱落故障。
分别设置键合线的脱落根数分别为1根、4根和6根。
图6给出了IGBT模块在健康状况下和键合线脱落6根的情况下栅极-发射极之间的极间电压Vge的实验波形。
由图6可知，在导通和关断过程中，键合线的脱落致使Vge的变化率dVge/dt都有增大，由此可以得知IGBT开关过程中会产生更大的干扰。
测量IGBT模块健康情况下和键合线脱落状况下回路中的干扰强度。
所测得的结果分别如图7、图8、图9和图10所示。
由以上实验结果可知，在相同状况下，IGBT模块内部键合线脱落根数越多，回路中产生的干扰强度越大。
对上面几种情况下的数据进行拟合处理，如图11所示。
由上图可知，频率低于3MHz时，键合线的脱落根数对回路的干扰影响较小，当频率大于3MHz时，键合线脱落对回路电磁干扰的影响比较明显。
本文为研究IGBT键合线故障下回路中的电磁干扰特性，首先对键合线脱落故障机理进行了分析；然后通过理论分析了键合线脱落对IGBT导通瞬间的影响，表明键合线脱落会导致IGBT在工作过程中会产生更高的电磁干扰；最后通过实验验证了理论分析结果。
在工程实际当中，系统运行过程中无法实时监测系统中的电磁干扰，但是当系统发生电磁兼容故障时，可以优先考虑IGBT是否发生故障，而不需要对整个系统进行逐一排查，对于IGBT的故障诊断具有一定的指导意义。
【相关文献】[1]张颖.新型IGBT引线键合故障诊断与预测方法[J].半导体技术,2013,38(12):942-945.[2]陈明,胡安,刘宾礼.绝缘栅双极型晶体管失效机理与寿命预测模型分析[J].西安交通大学学报,2011,45(10):65-71.[3]杜明星.功率器件状态监测的关键问题研究[D].天津:天津大学, 2014.[4]王春雷,郑利兵,方化潮,等.键合线失效对于IGBT模块性能的影响分析[J].电工技术学报,2014,29(1),184-191.[5]禹鑫,杜明星,窦汝振,等.IGBT功率模块键合线故障下的温度特性研究[J].电力电子技术,2015,49(2):55-57.[6]沈刚,周雒维,杜雄,等.基于小波奇异熵理论的IGBT模块键合线脱落故障特征分析[J].电工技术学报,2013,28(6):165-171.[7]Angus T.Bryant, Xiaosong Kang, Enrico Santi, et al, Two-Step Parameter Extraction Procedure With Formal Optimization for Physics-Based Circuit Simulator IGBT and p-i-n Diode Models, IEEE Transactions on Power Electronics, March 2006, 21(2):295-309.[8]Marco Antonio Rodríguez-Blanco, Abraham Claudio-Sánchez, et al, A Failure-Detection Strategy for IGBT Based on Gate-Voltage Behavior Applied to a Motor Drive System, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011,58(5), 1625-1633.。