常见IGBT模块失效情况的分类
IGBT应用中典型故障分析判断及注意事项的探讨
关键 词 ： Ｂ 典 型故 障分析 判断方法 注意事项 Ｉ Ｔ Ｇ 中图 分 类 号 ： Ｑ Ｔ １０ ５ 文 献 标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ： ７ １ ２ １ ） ８ｃ－ ０ ２ １ ７ －３ ９ （ ０ １Ｏ （） Ｏ ９ －０ ６２ ６
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工业技术
Ｉ Ｔ应 用 中典 型故 障 分析 判 断及注 意 事项 的探 讨 Ｂ Ｇ
郭 宏 （ 国家 广播 电影 电视总局 五六 一台 南 昌 ３ ０ １ ） ３ ２ ２
摘 要： 本文对Ｉ Ｂ 在 应用 中的典 型故障进行 了分 类分析探 讨 ， 绍 了两种 实用的Ｉ Ｂ ￣障判断 方法， 出 了 Ｇ Ｔ ＧＴ 介 ＧＴ 给 Ｉ Ｂ 在使 用中的主要注 意
绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 Ｉ Ｔ， ＧＢ 也称 绝缘 坏 。 而 有 效 的保 护 方 法 就 是 采 用 电压 箝 定 的最 大 边 界 ， Ｌ ｕ ～５ 简 Ｌ ￣ ４ 倍额 定 电流 时 ， 必 门 极 晶 体 管 。 是 ２ 世 纪 ８ 年 代 中 期 出 现 位 式 吸 收 电 路 ， 瞬 间过 电压 进 行 抑 制 ， 它 ０ ０ 对 具 须在 １ ｓ ． ０ ２ 内关 断Ｉ Ｔ， ＧＢ 如果 此时 Ｉ Ｂ 所 Ｇ Ｔ 的 一 种 新 型 复 合 器 件 ， 集 成 了ＭＯ （ 缘 体 电路 就 是 在 集 一射极 两 端 并 接 齐 纳 二 极 承 受 的 最 大 电 压 也 超 过 器 件 标 称 值 的 话 ， 它 Ｓ绝 栅 型场 效 应 管 ） Ｇ 和 ＴＲ（ 功 率 晶 体 管 ） 大 众 管 ， 用 栅 极 电 压 动 态控 制 ， 采 当集 电极 电 压 则 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ必 须 在 更短 时 间 内被 关 断 。 多 优 点 ， 仅 具 有 高 输 入 阻抗 、 关 速 度 瞬 间 超 过 齐 纳 二 极 管 的 箝 位 电 压 时 ， 出 不 开 超 （ ） 高 ｄ ／ ｔ ３过 ｉｄ 。 快 、 和 压 降 低 、 压 高 、 受 电 流 大 等 优 的 电压 将 叠加 在 栅 极 上（ 饱 耐 承 米勒 效 应起 作用 ） ， 点 ， 且 工 作 频 率 范 围宽 （ 而 可达 几 十 ｋ ） Ｈｚ ， 就 可 避 免Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ因受集 一 过 压 而 损 坏 。 射 过 高ｄ ／ ｔ Ｉ 的Ｉ ＢＴ ｉｄ ￣起 Ｇ 故障 ， 实也 可 其 属 于 过 压 范 围 ， 高 的 ｄ ／ ｔ 与线 路 分 布 很 ｉ ｄ值 电感 的 乘积 ， 致 瞬 间 过 压 。 种 情 况 可 以 导 这
驱动电路频率不足导致的IGBT失效分析
驱动电路频率不足导致的IGBT失效分析在IGBT的使用过程中，存在电路失效的情况，而失效的原因通常多种多样，其中一种就是当驱动电路工作频率相对IGBT开关频率不足时，导致的IGBT失效问题。
只有对IGBT失效原因进行正确全面的分析，才能找出问题的根源顺利解决。
帮助大家理解这种失效原因背后的原理。
通常来说，限制输出频率的因素是响应速度和耗散功率。
但是相比之下很多驱动产品的规定输出频率上限却显得小了很多。
这是为什么呢?原因之一，是驱动器经过一次输出翻转后并不能马上恢复稳态。
如果在驱动器进入稳态前再次输出翻转，则会引发一些可靠性问题。
比较典型的一个环节就是辅助电源。
由于驱动输出功率相比于其瞬间输出峰值功率来说都比较小。
因此每次输出翻转都会造成电源电压跌落，需要一段时间来充电升压到正常值。
好在驱动器有两个外接电容分别为上升和下降输出供电。
因此，通常占空比不会受到这方面因素的限制。
但是如果特殊的应用场合导致输出占空比出现大幅度的突变。
那就可能出现两次同向翻转的间隔时间过短，导致供电不足的问题了。
这一点需要注意，要把占空比最大变化率对输出频率裕度的损耗折算进去。
再有就是外接电容的问题。
一般大家选用的都是铝电解电容，原因是价格较低，容值大。
但是，电解电容的寿命与温度关系密切。
一般来说工作环境温度每上升10度，电容寿命将折损一半。
因此对于像轧钢机等高温应用场合就要考虑这个问题。
而铝电解电容老化的直接后果是等效串联电阻ESR的增大。
对于驱动的储能电容来说，这意味着输出电压波动的恶化。
将导致IGBT开关速率的飘移。
另外一个方面是结型晶体管的存储电荷问题。
由于控制方式上的优势，。
浅谈IGBT失效分析
浅谈 IGBT失效分析摘要：绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由功率MOSFET和双极晶体管(BJT)复合而成的一种新型的电力半导体器件，它集两者的优点于一体，具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、速度快及工作频率高等特点，成为目前最有应用前景的电力半导体器件之一。
在轨道交通、航空航天、新能源、智能电网、智能家电这些朝阳产业中，IGBT作为自动控制和功率变换的关键核心部件，是必不可少的功率“核芯”。
采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率，提升用电质量，实现节能效果，在绿色经济中发挥着无可替代的作用。
关键词：IGBT；电力半导体；频率；功率本文研究大功率交流传动电力机车技术平台及大功率交流传动内燃机车技术平台，参考了国内外文献，通过对试验和应用数据的搜集、统计、整理，发现了一些典型的IGBT模块失效案例，并对其进行了失效特征分析，具体如下：1 过压失效1.1集-射极过压失效失效位置发生在有源区的边缘处，如图1(a)所示。
可见，芯片表面靠近内侧保护环处有小面积轻微烧损。
发生失效的条件：一是芯片击穿电压不满足要求，或者芯片的击穿电压发生退化;二是IGBT工作时发生异常，导致芯片承受的电压超过其可以承受的额定击穿电压。
1.2栅-射极过压失效失效位置发生在栅极与发射极隔离区，如图1(b)所示。
失效特征表现为芯片表面栅极与发射极隔离区上有熔点。
发生失效的条件：一是芯片栅极氧化层质量差，耐压不满足要求，或者芯片的栅极氧化层耐压发生退化;二是工况导致栅极过电压或电路产生栅极震荡。
2 过流失效2.1短路失效失效位置发生在IGBT有源区(不含栅极)，如图2所示。
失效表现为模块中多个IGBT 芯片同时严重烧毁。
发生失效的条件：一是芯片短路安全工作区不能满足系统设计要求，或者短路安全工作区发生退化;二是工况发生异常，IGBT回路出现短路且IGBT未能及时被保护;三是半桥臂出现短路(IGBT或续流二极管)，导致另一半桥臂IGBT被短路，发生短路失效;四是工作环境温度升高，导致芯片结温升高，短路安全工作区范围变小;五是控制信号问题，导致IGBT误开关，引起(桥臂)短路失效。
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 功率模块封装失效机理及监测方法综述
1 引言2060 年中国将实现“碳中和”的目标，高效利用绿色能源是实现这一目标的重要途径。
功率模块是实现绿色能源转换的重要部件，绝缘栅门极晶体管( Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT) 作为使用频率最高的电源转换芯片，是出现故障频率最高的器件，其失效机理及检测方式被大量研究。
可靠的封装为芯片工作提供稳定的电气连接、良好的绝缘性能和充分的抗干扰能力，是IGBT 功率模块可靠性的重要组成部分。
现在被主流使用的封装形式有焊接型和压接型封装。
两种封装结构在功率密度、串并联能力、制造费用、封装可靠性和散热能力等方面有所不同，其性能对比如图 1 所示。
由于压接型封装具有双面冷却和失效自短路效应，其在散热、可靠性及串联能力上优于焊接型封装，因此被广泛用于高功率密度场合，如高压电网和高功率机械设备，但封装复杂笨重。
焊接型封装结构因其制造工艺简单、成本低和并联能力强被广泛使用在中低功率密度场合，如消费电子、汽车电子。
两种封装结构导致了不同的失效机理，但其本质多是IGBT 芯片工作产生的热量未即时耗散，引起温度梯度，最终导致的封装材料疲劳致使失效。
因此，本文首先对两种IGBT 功率模块封装结构及失效机理进行阐述，然后对IGBT 功率模块封装失效监测方法进行了分析，最后提出IGBT 功率模块封装可靠性及失效监测存在的问题和发展方向。
2 IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构自1975 年，焊接型IGBT 功率模块封装被提出，便被广泛使用，其典型封装结构如图 2 所示。
其中，直接覆铜陶瓷板( Direct Bonded Copper，DBC)由上铜层、陶瓷板和下铜层组成，其一方面实现对IGBT 芯片和续流二极管的固定和电气连接，另一方面形成了模块散热的主要通道。
欲加入IGBT交流群，加VX：tuoke08。
功率半导体IGBT失效分析与可靠性
功率半导体IGBT失效分析与可靠性摘要：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。
IGBT应用中典型故障分析判断及注意事项的探讨
IGBT应用中典型故障分析判断及注意事项的探讨作者：郭宏来源：《科技资讯》 2011年第24期郭宏(国家广播电影电视总局五六一台南昌 330212)摘要:本文对IGBT在应用中的典型故障进行了分类分析探讨,介绍了两种实用的IGBT故障判断方法,给出了IGBT在使用中的主要注意事项及相关问题的解决措施。
关键词:IGBT 典型故障分析判断方法注意事项中图分类号:TQ150 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)08(c)-0096-02绝缘栅双极型晶体管IGBT,也称绝缘门极晶体管。
它是20世纪80年代中期出现的一种新型复合器件,它集成了MOS(绝缘栅型场效应管)和GTR(大功率晶体管)众多优点,不仅具有高输入阻抗、开关速度快、饱和压降低、耐压高、承受电流大等优点,而且工作频率范围宽(可达几十kHz),经过三十多年快速发展,如今IGBT在开关电源、变频器、逆变器、UPS、交流伺服系统、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。
然而,随着IGBT模块的应用普及,其在实际应用中的问题不得不引起重视,由于操作使用不当、保护电路(或装置)选择不合适等原因,都极易导致IGBT模块故障,造成不必要的经济损失。
本文,通过对IGBT典型故障、判断方法及注意事项进行探讨,旨在加深使用者对IGBT模块的了解,尽量减少实际应用中IGBT模块的故障率。
1 IGBT典型故障分析通过对IGBT在实际应用中的经验总结,主要有过压、过流、过热三大原因导致IGBT发生故障。
1.1 过压(1)高dv/dt和集-射过压。
很多使用者都曾遇到过电路中的IGBT莫名其妙就损坏了,更换后正常,却查不出故障原因,于是怀疑是IGBT质量问题。
其实,这很可能是使用者对于高dv/dt所引起的过压采用的保护不够重视,常常只采用无感电容或者RCD电路来吸收,当IGBT关断瞬间过高的dv/dt引起过压所占的比例较大时,保护电路吸收不够而导致IGBT的损坏。
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常见IGBT模块失效情况的分类
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模块是一种广泛应用
于电力变换器中的高压、高电流功率开关装置。
它由一对PN结二极管和
一个MOSFET晶体管组成，通过控制MOSFET的开关来实现功率的调节。
然而，由于IGBT模块长时间工作在高电流、高温等恶劣条件下，容易出现
失效现象。
本文将对常见的IGBT模块失效情况进行分类介绍。
第一类：瞬时过电压引起的失效
IGBT模块在工作过程中，可能会受到来自其他电源或外部故障引起
的瞬时过电压，这会导致IGBT模块失效。
常见的瞬时过电压包括浪涌电流、雷击、绝缘击穿等。
这些过电压会瞬间增大IGBT模块的电压应力，
导致击穿或损坏。
第二类：电流过大引起的失效
IGBT模块在工作中承受的电流通常较大，但是如果电流超出了模块
规定的额定值，就会导致IGBT模块失效。
较大的电流会产生较大的热量，导致模块温度升高，从而降低IGBT的导通能力和击穿电压，进而引起模
块失效。
此外，过大的电流还会引起焊点破裂、金属膨胀等问题，导致模
块故障。
第三类：过温引起的失效
IGBT模块通常工作在高温环境中，如果模块温度超过额定温度，则
会导致模块失效。
过高的温度会导致IGBT电压击穿性能下降，漏电流增大，从而形成绝缘击穿和局部烧毁。
此外，模块温度过高还会影响焊点、
电介质和封装材料的性能，加速故障的发生。
第四类：电磁干扰引起的失效
在电力变换器的应用中，会产生大量高频的电磁干扰。
这些干扰会直
接或间接地影响IGBT模块的工作，导致其失效。
常见的电磁干扰包括电
感耦合、静电放电、电磁辐射等。
电磁干扰会使IGBT模块的输入电压、
电流发生变化，导致模块无法正常工作，甚至引起击穿、损坏等故障。
第五类：过失触发引起的失效
IGBT模块需要通过驱动电路来进行触发，如果触发信号不恰当、失
效或延时，则会引起IGBT模块的故障。
常见的失误触发包括过小的触发
电压、过长的触发脉冲、失误的触发脉冲等。
这些失误触发会导致IGBT
失去控制，无法实现预定的功率调节，从而引起故障。
综上所述，常见的IGBT模块失效情况可分为瞬时过电压、电流过大、过温、电磁干扰和过失触发等五类。
了解这些失效情况有助于我们在设计
和应用IGBT模块时，采取相应的预防和保护措施，提高电力系统的可靠
性和稳定性。