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。

浅谈 IGBT失效分析摘要：绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由功率MOSFET和双极晶体管(BJT)复合而成的一种新型的电力半导体器件，它集两者的优点于一体，具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、速度快及工作频率高等特点，成为目前最有应用前景的电力半导体器件之一。

在轨道交通、航空航天、新能源、智能电网、智能家电这些朝阳产业中，IGBT作为自动控制和功率变换的关键核心部件，是必不可少的功率“核芯”。

采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率，提升用电质量，实现节能效果，在绿色经济中发挥着无可替代的作用。

关键词：IGBT；电力半导体；频率；功率本文研究大功率交流传动电力机车技术平台及大功率交流传动内燃机车技术平台，参考了国内外文献，通过对试验和应用数据的搜集、统计、整理，发现了一些典型的IGBT模块失效案例，并对其进行了失效特征分析，具体如下：1 过压失效1.1集-射极过压失效失效位置发生在有源区的边缘处，如图1(a)所示。

可见，芯片表面靠近内侧保护环处有小面积轻微烧损。

发生失效的条件：一是芯片击穿电压不满足要求，或者芯片的击穿电压发生退化;二是IGBT工作时发生异常，导致芯片承受的电压超过其可以承受的额定击穿电压。

1.2栅-射极过压失效失效位置发生在栅极与发射极隔离区，如图1(b)所示。

失效特征表现为芯片表面栅极与发射极隔离区上有熔点。

发生失效的条件：一是芯片栅极氧化层质量差，耐压不满足要求，或者芯片的栅极氧化层耐压发生退化;二是工况导致栅极过电压或电路产生栅极震荡。

2 过流失效2.1短路失效失效位置发生在IGBT有源区(不含栅极)，如图2所示。

失效表现为模块中多个IGBT 芯片同时严重烧毁。

发生失效的条件：一是芯片短路安全工作区不能满足系统设计要求，或者短路安全工作区发生退化;二是工况发生异常，IGBT回路出现短路且IGBT未能及时被保护;三是半桥臂出现短路(IGBT或续流二极管)，导致另一半桥臂IGBT被短路，发生短路失效;四是工作环境温度升高，导致芯片结温升高，短路安全工作区范围变小;五是控制信号问题，导致IGBT误开关，引起(桥臂)短路失效。

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。