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變頻器IGBT模塊損壞的原因分析和故障處理方式

作者：佚名文章來源：本站原創點擊數：更新時間：2021-12-10

IGBT在使用過程中，經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，其內有一個寄生晶體管，在規定的漏極電流范圍內，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，于是寄生晶體管開通，柵極失去了控制作用，便發生了鎖定效應。IGBT發生鎖定效應后，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）所限定的電流安全邊界（如選型失誤，安全系數偏小等），出現這種情況時電路必須能在電流到達RBSOA 限定邊界前立即關斷器件，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）所限定的最大邊界，比如4 -5倍額定電流時，必須在10μs之內關斷IGBT，如果此時IGBT所承受的最大電壓也超過器件標稱值，IGBT必須在更短時間內被關斷。
(2)過電壓損壞和靜電損壞
IGBT在關斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關斷瞬間產生尖峰電壓，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—發射極過電壓、高dv/dt過電壓等，大多數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結構吸收電路，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—發射極過電壓而損壞。
采用柵極電壓動態控制可以解決由于過高的dv/dt帶來的集電極—發射極瞬間過壓問題，但是它的弊端是當IGBT處于感性負載運行時，半橋結構中處于關斷狀態的IGBT，由于其反并聯二極管（續流二極管）的恢復，使得其集電極—發射極兩端的電壓急劇上升，而承受瞬間很高的dv/dt，多數情況下該dv/dt值要比IGBT 正常關斷時的集電極—發射極電壓上升率高，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生一個瞬間電流，流向柵極驅動電路，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，出現惡劣的情況就是使IGBT被誤觸發導通，導致變換器的橋臂短路。
(3)G-E間開放狀態下外加主電路電壓
在門極—發射極問開放的狀態下外加主電路電壓，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—發射極間的電毒充電，使IGBT導通而產生的。）。在IGBT 器件試驗時，通過旋轉開關等機械開關進行信號線的切換，由于切換時G-E間瞬間變為開放狀態，可能產生上述現象而損壞IGBT 器件。另外，在機械開關出現振動的情況下，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—發射極間必須予以短路。
(4)機械應力對產品的破壞
IGBT 器件的端子如果受到強外力或振動，就會產生應力，有時會導致損壞 IGBT 器件內部電氣配線等情況。在將IGBT 器件實際安裝到裝置上時，應避免發生類似的應力。如果不固定門極驅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，門極驅動用的印刷基板也振動，從而使IGBT 器件的端子發生應力，引起 IGBT 器件內部電氣配線的損壞等問題。為了防止這種不良情況的發生，需要將門極驅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，可能導致IGBT 器件內部的電氣配線斷線等問題。為預防此類不良情況的發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技術為主流的，為此在IGBT應用中其結溫應限制在該值以下。

Tags：變頻器,IGBT模塊,損壞

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