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發(fā)布者：zyp    來源：上海仰光電子科技有限公司     發(fā)布時間：2023-4-21

邦飛利變頻器維修IGBT模塊損壞的原因分析和故障處理方式

IGBT在使用過程中，經(jīng)常受到容性或感性負載、過負荷甚至負載短路的沖擊等，可能導致IGBT損壞。IGBT在使用時損壞的原因主要有以下幾種情況：

(1)過電流損壞；
       1)擎鎖定效應。IGBT為復合器件，其內(nèi)有一個寄生晶體管，在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，NPN的正偏壓不足以使NPN 晶體管導通，當漏極電流大到一定程度時，這個正偏壓足以使NPN 晶體管開通，進而使NPN或PNP 晶體管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶體管開通，柵極失去了控制作用，便發(fā)生了鎖定效應。IGBT發(fā)生鎖定效應后，集電極電流過大造成了過高的功耗而導致器件的損壞。
       2)長時間過流運行。IGBT模塊長時間過流運行是指IGBT的運行指標達到或超出RBSOA（反偏安全工作區(qū)）所限定的電流安全邊界（如選型失誤，安全系數(shù)偏小等），出現(xiàn)這種情況時電路必須能在電流到達RBSOA 限定邊界前立即關(guān)斷器件，才能達到保護器件的目的；
       3)短路超時(> 10Ps)。短路超時是指IGBT所承受的電流值達到或超出SCSOA（短路安全工作區(qū)）所限定的最大邊界，比如4 -5倍額定電流時，必須在10μs之內(nèi)關(guān)斷IGBT，如果此時IGBT所承受的最大電壓也超過器件標稱值，IGBT必須在更短時間內(nèi)被關(guān)斷。
(2)過電壓損壞和靜電損壞
        IGBT在關(guān)斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓，如果尖峰電壓超過IGBT 器件的最高峰值電壓，將造成IGBT擊穿損壞。IGBT過電壓損壞可分為集電極—柵極過電壓、柵極—發(fā)射極過電壓、高dv/dt過電壓等，大多數(shù)的過電壓保護電路設計都比較完善，但是對于由高dv/dt所致的過電壓故障，在設計上都是采用無感電容或者RCD結(jié)構(gòu)吸收電路，由于吸收電路設計的吸收容量不夠，而造成IGBT損壞，對此可采用電壓鉗位，在集電極—柵極兩端并接齊納二極管，采用柵極電壓動態(tài)控制，當集電極電壓瞬間超過齊納二極管的鉗位電壓時，超出的電壓將疊加在柵極上（米勒效應起作用），避免了IGBT因受集電極—發(fā)射極過電壓而損壞。
        采用柵極電壓動態(tài)控制可以解決由于過高的dv/dt帶來的集電極—發(fā)射極瞬間過壓問題，但是它的弊端是當IGBT處于感性負載運行時，半橋結(jié)構(gòu)中處于關(guān)斷狀態(tài)的IGBT，由于其反并聯(lián)二極管（續(xù)流二極管）的恢復，使得其集電極—發(fā)射極兩端的電壓急劇上升，而承受瞬間很高的dv/dt，多數(shù)情況下該dv/dt值要比IGBT 正常關(guān)斷時的集電極—發(fā)射極電壓上升率高，由于米勒電容( Cres)的存在，該dv/dt值將在集電極和柵極之間產(chǎn)生一個瞬間電流，流向柵極驅(qū)動電路，該電流與柵極電路的阻抗相互作用，直接導致柵極—發(fā)射極電壓VGE值的升高，甚至超過IGBT的開通門限電壓VGEth值，出現(xiàn)惡劣的情況就是使IGBT被誤觸發(fā)導通，導致變換器的橋臂短路。
(3)G-E間開放狀態(tài)下外加主電路電壓
       在門極—發(fā)射極問開放的狀態(tài)下外加主電路電壓，會使IGBT自動導通，通過過大的電流，使器件損壞（這種現(xiàn)象是由于G-E問在開放狀下，外加主電壓，通過IGBT的反向傳輸電容Cres給門極—發(fā)射極間的電毒充電，使IGBT導通而產(chǎn)生的。）。在IGBT 器件試驗時，通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)等機械開關(guān)進行信號線的切換，由于切換時G-E間瞬間變?yōu)殚_放狀態(tài)，可能產(chǎn)生上述現(xiàn)象而損壞IGBT 器件。另外，在機械開關(guān)出現(xiàn)振動的情況下，也存在同樣的時間段，可能損壞元件。為了防止這種損壞，必須先將主電路（C-E間）的電壓放電至0V，再進行門極信號的切換。另外，對由多個IGBT 器件（一組2個以上）構(gòu)成的裝置在進行試驗等特性試驗時，測試IGBT 器件以外的門極—發(fā)射極間必須予以短路。
(4)機械應力對產(chǎn)品的破壞
       IGBT 器件的端子如果受到強外力或振動，就會產(chǎn)生應力，有時會導致?lián)p壞 IGBT 器件內(nèi)部電氣配線等情況。在將IGBT 器件實際安裝到裝置上時，應避免發(fā)生類似的應力。如果不固定門極驅(qū)動用的印刷基板即安裝時，裝置在搬運時由于受到振動等原因，門極驅(qū)動用的印刷基板也振動，從而使IGBT 器件的端子發(fā)生應力，引起 IGBT 器件內(nèi)部電氣配線的損壞等問題。為了防止這種不良情況的發(fā)生，需要將門極驅(qū)動用的印刷基板固定。
如電氣配線用的+、—導體問有高低差時，IGBT 器件的端子將處于不斷地承受向上拉伸應力的狀態(tài)，可能導致IGBT 器件內(nèi)部的電氣配線斷線等問題。為預防此類不良情況的發(fā)生加入導電性的襯墊使平行導體間的高低差消失。另外，若出現(xiàn)配線高度位置的偏離，同樣會使端子承受很大的拉伸應力或外力，也會出現(xiàn)同樣的不良情況。
(5)過熱損壞
       過熱損壞一般指使用中IGBT的結(jié)溫Tj超過芯片的最大溫度限定，目前應用的IGBT 器件還是以Tjmax =150℃的NPT技術(shù)為主流的，為此在IGBT應用中其結(jié)溫應限制在該值以下。

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