浅谈IGBT失效分析

西门子的SimoDrive功率模块失效分析摘要：本文通过对已损坏的西门子IGBT的研究，详细的分析了西门子IGBT损坏的原因，有IGBT制造过程中工艺问题，也有外围驱动设计不严密的问题。

西门子公司数控系统各挡CNC 中都使用SimoDrive611 变频系统。

SimoDrive611 是西门子各档数控系统中最重要的组成部分，而饲服功率模块和电源模块是SimoDrive611 中的重要部分，但它故障率高、容易损坏，可靠性不如系统中其他部分好。

本文主要针对西门子功率模块失效损坏进行分析。

我们通过对6SN1123-1AA00-0CA1 单轴50A、6SN1123-1AA00-0DA1 单轴80A、6SN1123-1AA00-0EA1 单轴160A 以及6SN1145-1BA0-0BA0 16/21KW 电源模块失效进行分析。

它们共同之处是都使用大功率IGBT 作为输出，而且IGBT 的驱动电路也基本相同。

随着电力电子的快速发展，饲服功率输出部分广泛采用IGBT 晶体管取代GTR 等。

因为IGBT 驱动电路相对简单，几乎可以用TTL 逻辑电路直接驱动，这是它的优点；而它的缺点也很明显，那就是IGBT 晶体管存在所谓擎住效应，正常使用不存在此效应，但使用不当，一旦因过流触发此效应，IGBT 晶体管便为常通，根本不受栅射控制电压控制关断IGBT，直到烧坏。

1 IGBT 失效损坏原因在饲服驱动中，IGBT 总是受感性电机负载的冲击，短时过载等触发的擎住效应是失效损坏的根本原因。

另外IGBT 驱动电路设计的不够严密，使用不合理等，都可能导致IGBT 永久的损坏。

下面进行详细分析。

1．1 过流触发擎住效应导致IGBT 损坏IGBT有一定瞬时抗过流能力，外部控制逻辑也能提供一定保护。

最主要的是IGBT驱动电路保护措施的设计一定要严密。

由于IGBT半导工艺结构上存在一个寄生晶体管，也就是寄存可控硅。

IGBT的理想等效电路如图1所示。

IGBT失效分析与应对IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率器件，常用于高压、大电流的应用中。

在使用过程中，可能会出现IGBT失效的情况，需要及时分析原因并采取应对措施。

1.过流：IGBT在工作时承受的电流超过了其额定值，会导致过热失效。

2.过压：过高的电压会导致IGBT击穿，发生瞬态过电流，进而导致失效。

3.温度过高：IGBT在工作时会产生热量，如果散热不良，导致温度过高，会加速器件老化，从而失效。

4.瞬态过电压：IGBT在开关状态切换时会产生瞬态过电压，如果保护措施不足，会导致器件失效。

应对IGBT失效的方法主要有以下几个方面：1.选用适当的IGBT：根据具体的应用场景要求，选择适合的IGBT，能够承受所需的电流和电压。

2.合理设计驱动电路：驱动电路的设计要合理，保证IGBT在开关状态切换时的瞬态过电压得到有效的抑制。

3.加强散热措施：采用散热片、风扇等散热装置，保证IGBT的工作温度不超过额定温度。

4.过电流保护：在电路中添加过电流保护装置，当电流超过预设值时，及时切断电路，保护IGBT不受过流损伤。

5.过压保护：在电路中添加过压保护装置，当电压超过预设值时，及时切断电路，保护IGBT不受过压损伤。

6.减少开关频率：降低IGBT的开关频率，减少器件的工作压力，延长器件的使用寿命。

7.充分测试和检测：在使用IGBT之前，应进行充分的测试和检测，保证器件品质合格。

8.定期维护与检查：定期对IGBT进行检查和维护，包括散热装置的清洁、连接端子的紧固等。

总之，IGBT是一种高性能功率器件，在使用中需要注意合理选择和设计，加强保护措施，定期进行维护和检查，以延长器件的使用寿命，确保系统的可靠性和稳定性。

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功率模块键合线失效分析与研究随着功率变流技术在航空航天、新能源发电、电动汽车、轨道交通等领域的广泛应用,其在各系统中的核心作用也凸显出来。

在功率变换装置中功率器件是系统中最脆弱的部分,因此,功率器件的可靠性问题受到越来越广泛的重视。

功率器件中常见的是绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolartransistor,IGBT）,因其具有开关速度快、损耗小、驱动电流小、控制电路简单等优势而成为目前应用最为广泛的功率器件。

研究IGBT模块老化、失效的过程,掌握模块失效后内部寄生参数的改变以及引起外部特征信号的变化规律对于模块的失效监测、可靠性的提高及整个装置的安全运行都至关重要。

键合线是IGBT模块中最易发生故障的部位,本文将针对IGBT模块中键合线的可靠性问题,进行理论研究、仿真及实验分析,主要研究内容及创新点如下:首先,以SKM75GB12T4IGBT模块为研究对象,建立其3D模型,在ANSYS仿真软件中对其分别进行电-热场和热-应力场的综合分析,掌握在IGBT模块工作中,键合线的受热及受力情况。

通过子模型分析,了解键合线脱落面积与器件温度的关系,并掌握键合线的热特性对于模块可靠性的影响。

其次,探究键合线脱落对模块中寄生参数的影响,利用精密阻抗分析仪和Ansoft Q3D Extractor软件对模块的寄生参数进行测量和提取,并进行比较验证,得到键合线脱落不同程度后内部寄生参数的变化情况。

在saber软件中搭建仿真电路模型,分析模块中寄生参数对开关波形的影响。

因寄生参数的变化会直接导致外部可测量电信号发生改变,搭建实验电路,得到键合线脱落对外部电信号的影响,并做出规律性分析,为后续研究提供理论依据。

再次,提出了一种考虑IGBT模块内部互连材料等效电阻的影响来精确估计结温的方法。

基于键合线脱落对外部可测电信号的间接影响,选用通态压降V_{ce_on}作为监测IGBT模块键合线失效的参数,由于V_{ce_on}同时受到结温T_j和集电极电流I_c的影响,利用这三个参数建立键合线失效监测的查找表,使得键合线的失效监测更为精确。

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。

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IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种重要的功率半导体器件，具有高性能和高集成度的特点，并广泛应用在电力电子设备中。

然而，由于IGBT长期工作在高温、高电压、高电流的环境下，容易出现失效的情况。

本文将对IGBT失效进行分析，重点从热失效、电压失效和电流失效三个方面进行论述。

首先，热失效是IGBT常见的失效形式之一、由于IGBT在工作过程中会产生大量的热量，如果散热不良或者长时间高温工作，会导致IGBT内部温度过高，从而造成失效。

常见的热失效原因包括过大的功率损耗、散热不良以及热应力等。

功率损耗过大会导致IGBT内部温度升高，从而热失效。

散热不良是指IGBT无法将产生的热量迅速散发出去，造成内部温度过高。

热应力则是指IGBT长时间在高温环境下工作，导致器件老化，最终失效。

其次，电压失效是指IGBT承受电压超过其额定值而失效的情况。

IGBT的电压承受能力受到其结构设计和材料特性的限制，如果工作电压超过了其额定值，会导致击穿、损伤甚至烧毁。

常见的电压失效原因包括过高的工作电压、过高的尖顶电压以及过高的幅值电压等。

过高的工作电压意味着IGBT需要承受更高的电场强度，容易导致击穿。

过高的尖顶电压和幅值电压则是指在电压波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电压应力集中，容易造成失效。

最后，电流失效是指IGBT承受电流超过其额定值而失效的情况。

IGBT的电流承受能力受到其电流密度和结构设计的限制，如果工作电流超过了其额定值，会导致过载、击穿甚至烧毁。

常见的电流失效原因包括过高的工作电流、过高的尖顶电流以及过高的幅值电流等。

过高的工作电流意味着IGBT需要承受更高的电流密度，容易导致击穿。

过高的尖顶电流和幅值电流则是指在电流波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电流应力集中，容易造成失效。

综上所述，IGBT的失效主要包括热失效、电压失效和电流失效。

热失效是由于功率损耗过大、散热不良或者长时间高温工作而导致的，电压失效是由于工作电压超过额定值而导致的，电流失效是由于工作电流超过额定值而导致的。

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典型失效现象及分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即绝缘栅双极晶体管，是一种半导体开关装置。

它集成了场效应晶体管（FET）和双极晶体管（BJT）的优点，具有高开关速度、低导通压降和大功率承载能力等特点。

但是，IGBT在使用过程中也会出现一些典型的失效现象。

本文将详细介绍IGBT的典型失效现象及分析。

1.IGBT芯片损坏：IGBT芯片是IGBT模块的核心部件，常见的损坏形式有击穿和烧坏。

击穿通常是由于环境条件恶劣导致芯片绝缘能力下降，或是过高的共模电压和斜率放大有可能导致芯片击穿。

烧坏通常是由于过大的电流或过高的温度造成芯片热量集中，导致芯片局部失效。

2.封装失效：封装是保护和固定芯片的重要部分，常见的失效形式有焊接开裂、引脚断裂等。

焊接开裂通常是由于温度和热应力引起的，过高的温度或瞬态电压冲击都有可能导致焊接开裂。

引脚断裂常常是由于负载过重、振动等原因导致。

3.热失效：IGBT在高功率运行时会产生大量热量，如果散热不良，就会导致热失效。

热失效表现为温度升高，甚至超过允许温度范围，进而导致各种失效。

常见的热失效有端子击穿、胶粘剂老化等。

4.结电流失效：IGBT的结电流是指在截止状态下，由于材料的不完美和杂质的存在，会存在一定的导电通道。

常见的结电流失效有漏电流增大、反向击穿等。

漏电流增大通常是由于材料质量问题、过高的温度或封装故障导致。

反向击穿通常是由于过高的反向电压导致。

5.门电流失效：IGBT的门电流是指在关断状态下，由于材料的不完美和杂质的存在，会存在一定的导电通道。

常见的门电流失效有漏电流增大、误触发等。

漏电流增大通常是由于材料质量问题、过高的温度或封装故障导致。

误触发通常是由于电磁干扰、环境污染等原因导致。

以上是IGBT的典型失效现象及分析。

在使用IGBT时，需要注意环境条件，保证散热良好，避免过高的电压和电流等因素对IGBT造成损坏。

IGBT典型失效现象及分析来源：作者：时间：2008-11-01 Tag：IGBT点击： 6IGBT典型失效现象及分析1、温度上升对IGBT参数的影响温度上升包含两个意思：一是IGBT中的电磁场能量转化为热能，主要由于器件中的电阻热效应；一是器件发热与外部冷却之间的相互作用，发生的热量如果不能及时散发出去，即散发能力不够，则使温度上升。

温度上升，IGBT中的两个晶体管的放大系数α1和α2均增大，该两个晶体管构成一个寄生晶闸管。

借助于IGBT等效电路图（图3），开通过程为：当给栅极加压Vg，产生Ig，则MOSFET开通，产生I1，I1为PNP的基极电流，开通PNP，产生I2，I2为NPN提供基极电流，产生I3，使整个IGBT全面开通。

I1、I2和I3构成IGBT开通后的全部电流，其中I2为主要部分。

当温度上升，α1和α2上升，使α1＋α2→1，将使寄生晶闸管出现“闭锁效应”，而使IGBT一直导通，即使Vg去掉，I1=0,由于该闭锁效应，PNPN导通，开关失效。

因此，温度上升，增加，使得重复开断的通态电流下降。

图4为SKM600GB126D 型IGBT的通态电流IC随温度变化的曲线【5】。

从图中可以看到，随温度升高，电流下降，且在800C之后，电流下降非常迅速。

图4 IGBT（SKM600GB126D）温度－电流曲线（略）在一台实际的160kW三电平变频器中，温升试验中发生的IGBT失效现象说明该问题：该变频器所选的IGBT型号为SKM600GB126D，工频下重复可关断电流为600A。

该变频器起动后，带满载运行，额定电流为315A。

起动稳定后的50分钟运行一切正常，随着运行时间的增加，IGBT壳温从300C上升到1200C，装置发生过流保护。

分析其原因：当IGBT壳温达到1200C以后，最大重复可关断电流值发生变化（约为250A），驱动开关发生失效，直流母排中点电压平衡破坏，造成直通过流，器件保护。

IGBT模块损坏的原因及处理方式IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模块是一种功能强大的功率半导体器件，常用于高压和高电流应用中。

但是，由于不当的操作或其他原因，IGBT模块可能会受损。

本文将探讨IGBT模块损坏的原因以及处理方式。

1.电压过高：IGBT模块具有额定电压范围，如果超过这个范围，模块可能会受到电压打击。

这可能是由于电源故障、电网突变或操作错误引起的。

处理方式：检查并确保电源和电网的电压在规定范围内，并采取合适的保护措施，如安装过压保护器或电压稳定器。

2.过电流：当IGBT模块承受超过其额定电流的电流时，可能会引发模块损坏。

这可能是由于过载、短路或其他故障引起的。

处理方式：确保电路中的电流在IGBT模块的额定电流范围内，并采取保护措施，如安装过电流保护器或熔丝。

3.温度过高：IGBT模块通常在高温环境中工作，但如果温度过高，模块的性能可能会受到损害。

这可能是由于不良的散热设计、风扇故障或长时间连续工作导致的。

处理方式：确保散热系统正常运行，并监控IGBT模块的温度，必要时采取降温措施，如增加散热器或风扇。

4.过压或逆变：在逆变器或电机驱动器等应用中，如果反馈回路发生故障或调节不当，可能会导致IGBT模块受到过高的反压或电流。

处理方式：检查反馈回路和控制系统，确保它们正常工作，适当调整参数并采取保护措施，如安装限制反压器或电流保护器。

5.静电损坏：静电电荷可能会引起IGBT模块的瞬态电流，导致模块损坏。

这可能是由于不正确的防静电措施，如不适当的接地或使用未经静电保护的工具等引起的。

处理方式：采取静电保护措施，如穿戴静电耗散衣物、接地和使用防静电工具。

6.其他因素：其他可能导致IGBT模块损坏的因素包括振动、湿度、电磁干扰等。

处理方式：检查并确保设备的可靠性设计，采取必要的防护措施，如安装减震装置、防潮剂或屏蔽设备。

总结起来，IGBT模块损坏的原因多种多样，包括电压过高、过电流、温度过高、过压或逆变、静电损坏以及其他因素。

IGBT失效原因分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高性能功率半导体器件，常用于大功率电子设备中，例如变频器、电动机驱动器等。

IGBT的失效主要有以下几个原因：1.过电流失效：过电流是指IGBT流经的电流超过其额定电流，造成IGBT的损坏。

过电流可能是由于电路设计不合理、电路故障、负载过重等原因引起的。

当过电流发生时，IGBT内部的PN结上会产生高电场，导致局部热失控或击穿，从而引起IGBT失效。

2.过电压失效：过电压是指IGBT承受的电压超过其额定电压，导致IGBT的击穿和损坏。

过电压可能是由于电路中的电压尖峰、噪声等突然变化引起的。

当过电压发生时，IGBT内部的绝缘层可能被击穿，从而导致电流过大，内部元件受到损伤。

3.温度失效：IGBT在工作时会产生热量，如果无法有效散热，温度会升高，从而导致IGBT失效。

温度失效可能是由于设备设计不良、散热系统不完善、环境温度过高等原因引起的。

当IGBT的温度超过其额定温度时，内部材料的热膨胀会导致应力集中或介质损坏，进而引起失效。

4.ESD（静电放电）失效：ESD是指静电在元器件之间放电，引起瞬态过电压，从而对IGBT产生电磁激励。

ESD失效可能是由于静电积累、操作不当等原因引起的。

当ESD电流通过IGBT时，其高电场会导致绝缘击穿或局部热失控，从而引起IGBT的失效。

5.动态电压失效：动态电压失效是指在IGBT的交流开关过程中，由于结构不合理或电磁干扰等原因，造成电压过快增长或振荡幅度过大，导致IGBT失效。

动态电压失效可能是由于电路谐振、电网突变、电容放电等原因引起的。

当动态电压超过IGBT的承受能力时，其PN结的电场分布会失控，从而引起击穿。

为了降低IGBT失效的可能性，可以采取以下措施：1.优化电路设计，确保IGBT的工作条件在额定范围内，避免过电流、过电压等异常情况的发生。

2.加强散热设计，保证IGBT能够有效散热并控制温度在安全范围内。

浅析IGBT模块损坏的原因!•IGBT在使用过程中经常受到容性或感性负载的冲击，承受过负荷甚至负载短路等，可能导致IGBT损坏。

IGBT模块在使用时的损坏原因主要有以下几种情况。

(1)过电流损坏①锁定效应。

IGBT为复合器件，其内有一个寄生晶闸管，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，于是寄生晶闸管开通，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(>10us)。

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10us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必须在更短的时间内被关断。

(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du/dt过压电等。

大多数过电压保护的电路设计都比较完善，但是对于由高du/dt所导致的过电压故障，基本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，往往在集电极-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。

深入解析IGBT典型失效模式及其原因
半导体功率器件失效的原因多种多样。

换效后进行换效分析也是十分困难和复杂的。

其中失效的主要原因之一是超出安全工作区（Safe Operating Area简称SOA）使用引起的。

IGBT的失效大致可以从失效时间和失效表现形式这两个维度去分析。

 失效时间：在整个生命周期内，所有产品的失效率都是时间的函数，呈现明显的阶段性，遵循浴盆曲线（Bathtub curve）的规律。

IGBT也不例外。

在曲线中，我们可以看到曲线的形状呈两头高，中间低，可以分为三个阶段：
 1.早期失效
 2.随机失效
 3.寿命终结失效
 图1所示的浴盆曲线中没有具体的刻度，因为失效率和时间的绝对值取决于产品的类型和运行的条件。

 图1：浴盆曲线
 早期失效：早期失效主要发生在生产测试，或者现场运行的早期。

发生的原因有很多：比如器件在存储、运输、组装过程中受到损伤等等。

 随机失效：随机失效通常是不可控的发生。

比如宇宙射线，闪电、污染等等。

 随机失效率与运行情况有很大的相关性。

比如电子器件的失效率与运行的温度呈指数关系，根据经验法则，温度每升高20℃，失效率会翻倍。

 在浴盆曲线中，我们可以看到随机失效率呈现较低的一个稳定的值，可以。

IGBT模块应用中失效原因分析IGBT模块的失效分析就是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式（失效模式），分析造成IGBT 模块失效的物理和化学过程（失效机理），寻找IGBT模块失效原因，制订纠正和改进措施，以提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。

IGBT模块与使用有关的失效十分突出，它占全部失效 IGBT模块的绝大部分；进口IGBT模块与国产IGBT模块相比，IGBT模块固有缺陷引起 IGBT模块失效的比例明显较低，说明进口IGBT模块工艺控制较好，固有可靠性水平较高。

1.与使用有关的失效与使用有关的失效原因主要有过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当，使用线路设计不当，机械过应力、操作失误等。

（1)过电应力损伤。

过电应力引起的烧毁失效占使用中失效IGBT 模块的绝大部分，它发生在IGBT模块测试、筛选、电装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线、电源系统产生的电浪涌，烙铁漏电，仪器或测试台接地不当产生的感应浪涌等。

按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力；按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结或触发CMOS 电路闩锁后，引起电源电流增大而造成的烧毁失效。

（2)静电损伤。

严格来说，IGBT模块静电损伤也属于电过应力损伤，但是由于静电型电过应力的特殊性，以及IGBT模块的广泛使用，使得该问题日渐突出。

静电型电过应力的特点是：电压较高（几百伏至几万伏），能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。

与一般的电过应力相比，静电型损伤经常发生在IGBT模块运输、传送、电装等非加电过程中，它对IGBT模块的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。

IGBT失效原因分析引起IGBT失效的原因有：1）过热损坏集电极电流过大引起的瞬时过热及其它原因，如散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。

如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度(约250℃)，器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效[1]。

实际运行时，一般最高允许的工作温度为130℃左右。

2)超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。

IGBT为PNPN4层结构，其等效电路如图1所示。

体内存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻R s，P 型体内的横向空穴电流在Rs上会产生一定的电压降，对NPN基极来说，相当于一个正向偏置电压。

在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大，对NPN 晶体管不起任何作用。

当集电极电流增大到一定程度时，该正向电压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。

于是，寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。

IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。

动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，流过R s，产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁[2]。

3)瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。

这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。

4）过电压造成集电极发射极击穿。

5）过电压造成栅极发射极击穿。

整流拉逆变式组合保护方案IGBT保护方法当过流情况出现时，IGBT必须维持在短路安全工作区（SCSOA）内。

IGBT承受短路的时间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切关系。