IGBT的失效原理及失效时参数变化规律

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本文内容包括IGBT的简介，工作原理，失效问题和保护问题分析。

一．简介IGBT是一种新型的电力半导体器件。

现已成为电力电子领域的新一代主流产品。

它是一种具有MOS输入、双极输出功能的MOS、双极相结合的器件。

结构上，它是由成千上万个重复单元（即元胞）组成，采用大规模集成电术和功率器件技术制造的一种大功率集成器件。

IGBT具有其它功率器件不全具备的高压、大电流、高速三大特点。

它既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。

它是电力电子领域非常理想的开关器件。

【1】二．工作原理IGBT的结构绝缘栅双极晶体管是一种新型电力半导体器件，它集成MOS栅极控制与双极电导调制以获得高的输入阻抗和低得通态电阻，是目前最理想的功率开关器件。

其基本结构有横向型和纵向型两类，对于高压MOS器件，电流横向流动结构的出现早于电流纵向流动结构，但是其单位面积的最大电流较小，导通电阻较大，因而横向型MOS器件难以实现大功率化。

不过，横向器件便于和其它电路相集成，而且它不需要用高阻外延材料，因而其应用也具有一定的广泛性。

IGBT结构上类似于MOSFET，其不同点是IGBT是在N沟道MOSFET的漏极上增加了一个p+基板，形成PN结J，，栅极与源极则完全与MOSFET相似。

由于IGBT 是在N沟道MOSFET的N十基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNP一NPN 晶体管构成IGBT。

但是NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计尽量使NPN 晶体管不起作用。

所以可以认为IGBT是将N沟道MOSFET作为入极、PNP晶体作为输出的单向达林顿管。

在NPT-IGBT中:因为背发射极电流中的电子流成分很大，器件关断时，基区存储的大量电子可以通过背发射区而很快清除掉，空穴可以迅速地流向P阱，所以开关时间短，拖尾电流小，开关损耗小。

IGBT的芯片结构和失效模式IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率半导体器件，结合了晶体管和MOSFET的特点，具有高压能力和高速开关能力。

它是现代电力电子领域中最常用的功率开关器件之一、IGBT芯片的结构和失效模式对于了解其工作原理和故障诊断非常重要。

下面详细介绍IGBT 芯片的结构和失效模式。

一、IGBT芯片的结构IGBT芯片由P型绝缘层、N+型主区、N型耗尽区、N-雪崩区、N+型接触区和栅极、封装等多个部分组成。

1.P型绝缘层：P型绝缘层是位于N+型主区与N型耗尽区之间的一个高电势区，承受高电压。

2.N+型主区：N+型主区是一个高掺杂区域，负责主要的电流通道，起到N型区的导电作用。

3.N型耗尽区：N型耗尽区是一个轻掺杂的中间区域，起到隔离N+型主区和N-雪崩区的作用，防止大电流过载。

4.N-雪崩区：N-雪崩区是一个较厚的轻掺杂区域，可承受高电压。

5.N+型接触区和栅极：N+型接触区连接源极和基极，栅极控制IGBT 的导电能力。

6.封装：封装是将芯片保护起来的外层，通常使用陶瓷材料封装，以提供良好的绝缘性能和散热性能。

二、IGBT的失效模式IGBT芯片的失效模式主要包括击穿故障、热失效和电压应力失效。

1.击穿故障：当IGBT芯片承受超过其额定的电压时，可能会发生击穿故障。

击穿故障会导致电流过高，温度升高，进而烧毁芯片。

击穿故障通常与电压应力不均匀、环路感应和过载等因素有关。

2.热失效：IGBT芯片在工作过程中会产生大量的热量，长时间高温会导致芯片内部结构变形、金属焊接断裂、漏电增加等问题。

热失效可能会造成芯片的导通能力下降、损坏等问题。

3.电压应力失效：IGBT芯片在开关过程中会受到电压的应力，电压应力不均匀会导致介电层击穿和边界电场集中。

这些问题可能会导致永久性损坏，如漏电增加、运算速度下降等。

除了上述的失效模式，IGBT芯片还可能发生其他故障，如电流过载、绝缘失效、封装破裂等。

IGBT的失效原理及失效时参数变化规律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功率模块封装失效机理及监测方法综述IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）功率模块是一种集成了功率MOSFET和双极晶体管结构的半导体器件，广泛应用于高功率和高频率开关电源和电力电子应用中。

IGBT功率模块的性能和可靠性对电力系统的稳定运行起着至关重要的作用。

然而，由于工作环境的恶劣以及运行的高电流和高温度等因素，IGBT功率模块容易出现封装失效，影响其性能和寿命。

1.焊接疲劳：由于功率模块在工作过程中会不可避免地受到温度循环的作用，焊接接点易受到热应力的影响，导致焊接疲劳和裂纹的产生，从而引起焊点脱落和模块间隙增大。

2.焊接接触不良：焊接接点的不良接触会导致接触电阻升高，并在高功率运行时产生局部过热，导致接触界面松动，增加电阻和损耗。

3.热膨胀不匹配：由于功率模块中不同材料的热膨胀系数不同，工作过程中温度变化引起的热膨胀不匹配会导致模块内部应力的积累，从而损坏封装材料。

4.熔敷金属扩散：在高温环境下，熔敷金属会发生扩散，导致金属间的相互渗透和细化，降低导电和导热性能。

为了监测和评估IGBT功率模块的封装失效，可采用以下方法：1.热循环试验：通过将功率模块置于高温和低温交替的环境中，模拟实际工作条件下的热循环，以评估模块封装对温度变化的适应性和寿命。

2.压力测试：通过施加一定的机械压力，并在高温、高湿环境下测试，检测模块封装是否存在裂纹、脱落等问题，评估其可靠性。

3.红外热像仪：使用红外热像仪可以检测模块工作过程中的温度分布和局部过热现象，及时发现模块的温度异常情况。

4.电流监测：通过在模块输入和输出端接入电流传感器，实时监测电流波形和变化，以判断IGBT功率模块的工作状态和性能。

5.静电放电检测：静电放电是导致功率模块损坏的重要因素之一，可使用相关设备对模块进行静电放电测试，评估其抗静电能力。

综上所述，IGBT功率模块封装失效机理主要包括焊接疲劳、焊接接触不良、热膨胀不匹配和熔敷金属扩散等问题。