IGBT典型失效现象及分析

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，。

IGBT故障原因IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）是一种高性能功率开关器件，广泛应用于各种功率电子设备中。

它结合了MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和普通双极晶体管的优点，具有高开关频率、低导通电阻、大电流承载能力和高崩溃电压等优势。

然而，由于IGBT通常在高压大电流环境下工作，可能会出现故障。

本文将探讨IGBT故障的可能原因。

首先，IGBT可能会发生过电压故障。

过电压会导致IGBT击穿，使其无法正常开关。

过电压的原因可能包括电源的不稳定、电感回馈、由于电源切换、瞬态电压、电源杂散峰值等。

这些过电压可能会损坏IGBT的栅电极、封装或晶体管结构，导致器件失效。

第二，过温度也是IGBT故障的一个重要原因。

高温会导致IGBT内部结构的热膨胀，进而造成内部扩散层的晶体管结构变形和金属导线断裂。

过温的原因包括过载、长时间高频工作、散热不良等。

此外，如果IGBT 的封装有缺陷，导致散热不良，也会引起过温故障。

第三，脉冲电流和过载可能会导致IGBT故障。

当IGBT经受过大的电流冲击时，可能会发生结构断裂、电极烧蚀、导电层融化等故障。

这种情况通常发生在电流过载、启动电流过大、全相失序等情况下。

第四，电压振荡和共振也可能引起IGBT故障。

当IGBT暴露在高频的电压振荡和共振环境中时，可能会引起其栅电极和封装的损坏。

这种情况通常出现在电路设计不当、电源突然切换等情况下。

第五，电压倒转和漏电会对IGBT造成损害。

电压倒转发生在电源切换时，如果切换过程中电源的极性反转，会导致IGBT结反偏使其击穿。

此外，漏电可能会引起IGBT封装的损坏，导致结构失效。

第六，静电放电是另一个常见的IGBT故障源。

当IGBT处于无保护状态下，静电放电可能导致器件损坏。

因此，在操作或维护IGBT时应注意进行适当的静电防护。

最后，如果IGBT的封装质量不好，可能会导致故障。

封装质量差可能会导致材料不均匀、接触不良、尺寸不一致等问题，影响IGBT的性能和可靠性。

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。

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。

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。

负载波动下IGBT损坏分析及驱动电路优化设计摘要：本文分析了四种常见变频器的运行参数，并从维修的层面分析了这些变频器的可靠性。

得出了一个结论就是：只有更可靠的变频器驱动电路才可以有效地将输出级与控制级隔离，并且有效地吸收来自门的不同报警信号。

随着电机负载的波动，IGBT栅极中的浪涌电压产生了一个波动的电压信号，导致IGBT在应该关闭的时候跳闸，导致上下桥IGBT的拉伤和IGBT的损坏。

对此，提出了优化的 IGBT 驱动电路的结构，并在使用中证明，该驱动电路不仅结构系统简单、还具有运行可靠等特点。

关键词：IGBT; 驱动电路; 可靠性; 振荡电压引言：IGBT电源模块的损坏是一种比较常见的故障诊断，一般是由很多种因素造成的。

比如：输出负载短路；外部电源电压过高；负载过大；大电流持续工作；负载波动引起浪涌电流过大；冷却风扇的性能不好；造成部件温度过高；进而引起性能变差、参数改变甚至部件烧坏等。

由冷却风扇不良引起的IGBT损坏可以通过加强变频器的维护来防止；由负载短路和电流过长引起的变频器损坏是不正确的，因为变频器有一个特殊的电路来施加保护，如果这个电路工作正常，除非电路设计不合理，否则变频器不会因这些原因而损坏。

经过分析，笔者认为，当负载振荡时，会引起IGBT栅极的电压波动，如果振荡幅度大，将使上下桥IGBT产生应变导致IGBT损坏。

虽然克服这类振荡通常采用在IGBT关断时向栅极加一个反向电压来减小振荡影响，但是若负载振荡达到较大程度, IGBT仍有可能受到损伤。

通过对IGBT栅极振荡机制进行深入剖析，这里提出了一个可靠的控制电路方案，具有良好的实际应用前景。

一、IGBT的概述及特性IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种由MOSFET（绝缘栅场效应管）和BJT（双极结晶体管）组成的复合半导体器件。

虽然IGBT有电流消耗的缺点，但它同时具有低MOSFET驱动电流和高BJT电流的优点，被广泛用于高电压、大电流和高速开关环境中。

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。

电磁炉IGBT管损坏的几大原因分析在电磁炉中，IGBT是一个损坏占有率很大的元器件，在没有查明故障原因的时候就试机，会引起IGBT再次损坏。

在电磁炉的维修中经过不断的总结，归纳出电磁炉的八大原因。

1、0.3UF电容失效，或漏电和400V电容容量变小的时候，将导致电磁炉，LC震荡电路频率偏高。

从而引起IGBT损坏。

经检查其他元件无问题的时候，更换0.3UF和400V电容。

2、IGBT管激励电路异常震荡电路输出的脉冲信号，不能直接控制IGBT 饱和，导通和截止，必须通过激励脉冲信号放大来完成。

如果激励信号出现问题，高电压就回加到IGBT管的G级，导致IGBT瞬间击穿，损坏，常见的有驱动管S8050和S8550。

3、同步电路异常同步电路在电磁炉中的主要作用是保证加到IGBT管G级上的开关脉冲前言与IGBT管上VCE脉冲后延同步当同步电路工作出现异样，导致IGBT管瞬间击穿。

4、18V工作电压异常在电磁炉中18V电压出现时，会使IGBT管激励电路，风扇散热系统及LM339工作失常导致IGBT上电瞬间损坏。

5、散热系统异常电磁炉工作在大电流状态下，其发热量也大，如果散热系统出现异常，会导致IGBT过热损坏。

6、单片机异常单片机内部会因为工作频率异常而烧毁IGBT。

7、VCE检测电路异常VCE检测电磁炉将IGBT官集电极上的脉冲电压通过，电阻分压，取样获得去=取样电压，此电压的信息变化传到CPU，CPU监测电压的变化，做出各种相应的指令，当VCE检测电路出现故障的时候，VEC脉冲幅度。

超过IGBT管的极限值，从而导致IGBT损坏。

用户锅具变形，或锅低凸起不平，在锅低产生的涡流，不能均匀的使变形的锅具加热，从而使锅具温度传感器，检温失常，CPU因检测不到，异常温度信号，而继续加热，导致IGBT损坏。

8、用户锅具变形或锅低凸起不平，在锅低产生的涡流不能均匀的使变形的锅具加热，从而使锅具温度传感器，检温失常，CPU因检测不到、异常温度信号，而继续加热，导致IGBT损坏。

IGBT 失效分析之都是变压器结电容惹的祸随着人们对电源及电子设备的功能要求越来越高，为各种设备提供电源时需要进行的改动就越来越多。

IGBT 就是其中一种，然而在实际的设计过程中，很多朋友经常会遇到IGBT 莫名其妙失效的情况，为设计造成了不便。

本文就将针对其中的一种情况，也就是变压器结电容相对于电压变化率过大，而导致的耦合电流干扰，最终使IGBT 失效的情况进行分析，并帮助大家理清其中的原理。

IGBT 的集电极电压变化率，取决于与门极间等效电容在驱动电流作用下对应的电压变化率。

当IGBT 门极电压变化到门极电流与工作电流相当的时刻，门极电压将不再变化。

驱动器输出的电流将对门极和集电极之间的等效电容充放电，实现门极电位的变化。

因此这个电位变化过程本身是对应于该条件下对电容的恒流充电过程，其开始和结束都是近似于阶跃性质的。

因此，总体上该干扰电流的函数具有门函数的特征。

对于该干扰电流对电路系统影响的分析。

应该采用类似小波变换的各类分析工具，从瞬时频谱分析的角度去识别那些携带能量较多的瞬时频率分量的特征。

而不应该是采用基于傅氏变换的全时域分析。

原因是这一类全时域分析的结果实质上是在瞬时频域分析结果的基础上，进一步在时间上求平均的结果。

这将导致信号实时特征的畸变和丢失。

不能真实地反映问题。

不管采用何种瞬时频率分析方法都将与宏观上的电流函数特征相接近。

那就是主要的瞬时频率成分存在于门函数周期对应的频率点以上，且较为接近。

同时由于上升下降沿的存在。

在相对较高的频段也含有相当一部分分量。

这就使该干扰电流的主要瞬时频率分量集中在低频和高频两大部分。

IGBT模块常规测量以及故障维修方法IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，随着节能环保等理念的推进，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广，此类产品在市场上将越来越多见。

入手IGBT模块我们应先对其进行一个常规检测。

那我们应该如何检测呢？我们可以分为以下几个方面：1.判断极性首先将万用表拨在R×1KΩ挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极(G )，其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。

在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极(C);黑表笔接的为发射极(E)。

2.判断好坏将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT的集电极(C)，红表笔接IGBT 的发射极(E)，此时万用表的指针在零位。

用手指同时触及一下栅极(G)和集电极(C)，这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。

然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E)，这时IGBT被阻断，万用表的指针回零。

此时即可判断IGBT是好的。

3.检测注意事项任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。

注意判断IGBT好坏时，一定要将万用表拨在R×10KΩ挡，因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT导通，而无法判断IGBT的好坏。

Communicatiori&Information Technology运营一线2021/05机车上IGBT发热引起的故障现象及故障分析孙活，朱杨，黄东旭，汪远涛(四川铁道职业学院,四川成都611732)摘要：IGBT是一种电力电子器件，具有驱动功耗小、无吸收电路、开关频率高等特点，近似于理想开关器件。

在铁道机车车辆上得到了广泛应用，但IGBT的发热问题一直困扰着我们。

分析了机车IGBT过热的影响，并提出了解决办法。

关键词：IGBT；电力机车；发热故障；故障分析中图分类号：TN607文献标识码：A文章编号：1672-0164(2021)03-0019-03IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是20世纪80年代出现的一种新型电力电子器件"，它把MOSFET和GTR的优点结合在一起，一经发明就在电力电子领域中得到了广泛的应用。

在轨道交通领域尤其是交流电力机车上，IGBT作为轨道交通领域大功率转换电路的关键器件，它常常工作在开关状态，关断和导通大电流、大电压，本身会产生大量的热量，加之在电力机车上经常遇到各种工作状况使IGBT产生的热量剧增或无法及时散发,会导致IGBT性能下降甚至烧损，严重影响行车安全。

了解和分析IGBT过热导致的故障，可以预防此类事故的发生。

1IGBT的发热原因和现象1.1机车IGBT发热原因分析IGBT是由BJT和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，又称绝缘栅双极型晶体管。

其中的GTR:低导通压降、载流密度大、驱动电流大。

MOSFET:驱动功率小，开关速度快，导通压降大、载流密度小。

机车IGBT属于大功率半导体器件，在变流工作状态下主导能量转换，容易发生失效，而大功率工作状态下，大电流、高电压会使IGBT严重损坏，产生发热，严重引发爆炸鷺(1)机车IGBT工作环境IGBT工作在大电流，高电压工作状态鷺由于IGBT驱动电流小，饱和压降低，故而适用于直流电压600V以上的变流系统。

IGBT模块损坏的原因分析和故障处理方式IGBT在使用过程中，经常受到容性或感性负载、过负荷甚至负载短路的冲击等，可能导致IGBT损坏。

IGBT在使用时损坏的原因主要有以下几种情况：(1)过电流损坏；1)擎锁定效应。

IGBT为复合器件，其内有一个寄生晶体管，在规定的漏极电流范围内，NPN的正偏压不足以使NPN 晶体管导通，当漏极电流大到一定程度时，这个正偏压足以使NPN 晶体管开通，进而使NPN或PNP 晶体管处于饱和状态，于是寄生晶体管开通，栅极失去了控制作用，便发生了锁定效应。

IGBT发生锁定效应后，集电极电流过大造成了过高的功耗而导致器件的损坏。

2)长时间过流运行。

IGBT模块长时间过流运行是指IGBT的运行指标达到或超出RBSOA（反偏安全工作区）所限定的电流安全边界（如选型失误，安全系数偏小等），出现这种情况时电路必须能在电流到达RBSOA 限定边界前立即关断器件，才能达到保护器件的目的；3)短路超时(> 10Ps)。

短路超时是指IGBT所承受的电流值达到或超出SCSOA（短路安全工作区）所限定的最大边界，比如4 -5倍额定电流时，必须在10μs之内关断IGBT，如果此时IGBT所承受的最大电压也超过器件标称值，IGBT必须在更短时间内被关断。

(2)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。

IGBT过电压损坏可分为集电极—栅极过电压、栅极—发射极过电压、高dv/dt过电压等，大多数的过电压保护电路设计都比较完善，但是对于由高dv/dt所致的过电压故障，在设计上都是采用无感电容或者RCD结构吸收电路，由于吸收电路设计的吸收容量不够，而造成IGBT损坏，对此可采用电压钳位，在集电极—栅极两端并接齐纳二极管，采用栅极电压动态控制，当集电极电压瞬间超过齐纳二极管的钳位电压时，超出的电压将叠加在栅极上（米勒效应起作用），避免了IGBT因受集电极—发射极过电压而损坏。

IGBT及其子器件的几种失效模式摘要：本文通过案例和实验，概述了四种IGBT及其子器件的失效模式：MOS栅击穿、IGBT-MOS阈值电压漂移、IGBT有限次连续短路脉冲冲击的积累损伤和静电保护用高压npn管的硅熔融。

关键词：栅击穿阈值电压漂移积累损伤硅熔融1、引言IGBT及其派生器件，例如：IGCT，是MOS和双极集成的混合型半导体功率器件。

因此，IGBT的失效模式，既有其子器件MOS和双极的特有失效模式，还有混合型特有的失效模式。

MOS是静电极敏感器件，因此，IGBT也是静电极敏感型器件，其子器件还应包括静电放电（SED）防护器件。

据报道，失效的半导体器件中，由静电放电及相关原因引起的失效，占很大的比例。

例如：汽车行业由于失效而要求退货的器件中，其中由静电放电引起的失效就占约30%。

本文通过案例和实验，概述IGBT及其子器件的四种失效模式：（1） MOS栅击穿；（2） IGBT——MOS阈值电压漂移；（3） IGBT寿命期内有限次连续短路脉冲冲击的累积损伤；（4）静电放电保护用高压npn管的硅熔融。

2、 MOS栅击穿IGBT器件的剖面和等效电路见图1。

由图1可见，IGBT是由一个MOS和一个npnp四层结构集成的器件。

而MOS是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。

其中，氧化物通常是硅衬底上氧化而天生的SIO2，有时还迭加其他的氧化物层，例如Si3N4，Al2O3。

通常设计这层SiO2的厚度ts：微电子系统：ts<1000A电力电子系统：ts≥1000A。

SiO2，介质的击穿电压是1×1019V/m。

那么，MOS栅极的击穿电压是100V左右。

人体产生的静电强度U：湿度：10-20%，U＞18000V；60-90%时，U≥1500V。

上述数据表明，不附加静电保护的MOS管和MOS集成电路（IC），只要带静电的人体接触它，MOS的尽缘栅就一定被击穿。

案例：上世纪六十年代后期，某研究所研制的MOS管和MOS集成电路。

IGBT的封装失效机理1.1概述IGBT是一种新型的电力电子器件，诞生于70年代后期，刚开始时因其自身的PNPN四层结构构成了一个寄生的晶闸管，容易产生闩锁现像（Latch-Up）。

直到80年代通过将源区N+和P阱用金属层短路才基本消除闩锁现像，这才使得之实用化成为可能。

由于它是一种复合型晶体管，既具备MOSFET的高速切换能力，又有晶闸管大电压，大电流的处理能力，在200V—6500V的电力电子领域有着非常广泛的应用，并开始占据原本由GTO统治的应用领域。

我国IGBT 的应用市场很快占到了世界市场的一半，然而，我国的IGBT芯片技术还不成熟，主要依赖于进口，这成了我国电力电子的软肋，也是我国科技中的薄弱点。

在种类上，IGBT主要分为穿通型（Punch Through），非穿通型（Non Punch Through），以及场截止式（FieLd Stop）.相比于穿通和非穿通型IGBT，场截止IGBT芯片更薄，导通损耗更低，；由于功率芯片工艺条件的限制，单个IGBT芯片面积很少超出2-3cm2，电流等级也不会超过150A。

为应对大电流的需要，通常将多个IGBT芯片并联而成。

同样将芯片串联而成可实现高的耐压能力。

这样，IGBT模块应运而生。

1.2IGBT模块结构IGBT模块主要由若干混联的IGBT芯片构成，个芯片之间通过铝导线实现电气连接。

标准的IGBT封装中，单个IGBT还会并有续流二极管，接着在芯片上方灌以大量的硅凝胶，最后用塑料壳封装，IGBT单元堆叠结构如图1-1所示。

图1-1IGBT模块内部结构从上之下它依次由芯片，DBC（Directed Bonding Copper）以及金属散热板（通常选用铜）三部分组成。

DBC由三层材料构成，上下两层为金属层，中间层是绝缘陶瓷层。

相比于陶瓷衬底，DBC的性能更胜一筹：它拥有更轻的重量，更好的导热性能，而且可靠性更好。

1.3IGBT的封装失效机理功率器件的可靠性是指在规定条件下，器件完成规定功能的能力，通常用使用寿命表示。