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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(chuàng)    點(diǎn)擊數(shù):    更新時(shí)間:2021-12-10
IGBT在使用過程中,經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載、過負(fù)荷甚至負(fù)載短路的沖擊等,可能導(dǎo)致IGBT損壞。IGBT在使用時(shí)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(yīng)。IGBT為復(fù)合器件,其內(nèi)有一個(gè)寄生晶體管,在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi),NPN的正偏壓不足以使NPN 晶體管導(dǎo)通,當(dāng)漏極電流大到一定程度時(shí),這個(gè)正偏壓足以使NPN 晶體管開通,進(jìn)而使NPN或PNP 晶體管處于飽和狀態(tài),于是寄生晶體管開通,柵極失去了控制作用,便發(fā)生了鎖定效應(yīng)。IGBT發(fā)生鎖定效應(yīng)后,集電極電流過大造成了過高的功耗而導(dǎo)致器件的損壞。
       2)長(zhǎng)時(shí)間過流運(yùn)行。IGBT模塊長(zhǎng)時(shí)間過流運(yùn)行是指IGBT的運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到或超出RBSOA(反偏安全工作區(qū))所限定的電流安全邊界(如選型失誤,安全系數(shù)偏小等),出現(xiàn)這種情況時(shí)電路必須能在電流到達(dá)RBSOA 限定邊界前立即關(guān)斷器件,才能達(dá)到保護(hù)器件的目的;
       3)短路超時(shí)(> 10Ps)。短路超時(shí)是指IGBT所承受的電流值達(dá)到或超出SCSOA(短路安全工作區(qū))所限定的最大邊界,比如4 -5倍額定電流時(shí),必須在10μs之內(nèi)關(guān)斷IGBT,如果此時(shí)IGBT所承受的最大電壓也超過器件標(biāo)稱值,IGBT必須在更短時(shí)間內(nèi)被關(guān)斷。
(2)過電壓損壞和靜電損壞
        IGBT在關(guān)斷時(shí),由于逆變電路中存在電感成分,關(guān)斷瞬間產(chǎn)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(fā)射極過電壓、高dv/dt過電壓等,大多數(shù)的過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)都比較完善,但是對(duì)于由高dv/dt所致的過電壓故障,在設(shè)計(jì)上都是采用無感電容或者RCD結(jié)構(gòu)吸收電路,由于吸收電路設(shè)計(jì)的吸收容量不夠,而造成IGBT損壞,對(duì)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(dòng)態(tài)控制,當(dāng)集電極電壓瞬間超過齊納二極管的鉗位電壓時(shí),超出的電壓將疊加在柵極上(米勒效應(yīng)起作用),避免了IGBT因受集電極—發(fā)射極過電壓而損壞。
        采用柵極電壓動(dòng)態(tài)控制可以解決由于過高的dv/dt帶來的集電極—發(fā)射極瞬間過壓?jiǎn)栴},但是它的弊端是當(dāng)IGBT處于感性負(fù)載運(yùn)行時(shí),半橋結(jié)構(gòu)中處于關(guān)斷狀態(tài)的IGBT,由于其反并聯(lián)二極管(續(xù)流二極管)的恢復(fù),使得其集電極—發(fā)射極兩端的電壓急劇上升,而承受瞬間很高的dv/dt,多數(shù)情況下該dv/dt值要比IGBT 正常關(guān)斷時(shí)的集電極—發(fā)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(chǎn)生一個(gè)瞬間電流,流向柵極驅(qū)動(dòng)電路,該電流與柵極電路的阻抗相互作用,直接導(dǎo)致柵極—發(fā)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(xiàn)惡劣的情況就是使IGBT被誤觸發(fā)導(dǎo)通,導(dǎo)致變換器的橋臂短路。
(3)G-E間開放狀態(tài)下外加主電路電壓
       在門極—發(fā)射極問開放的狀態(tài)下外加主電路電壓,會(huì)使IGBT自動(dòng)導(dǎo)通,通過過大的電流,使器件損壞(這種現(xiàn)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(fā)射極間的電毒充電,使IGBT導(dǎo)通而產(chǎn)生的。)。在IGBT 器件試驗(yàn)時(shí),通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)等機(jī)械開關(guān)進(jìn)行信號(hào)線的切換,由于切換時(shí)G-E間瞬間變?yōu)殚_放狀態(tài),可能產(chǎn)生上述現(xiàn)象而損壞IGBT 器件。另外,在機(jī)械開關(guān)出現(xiàn)振動(dòng)的情況下,也存在同樣的時(shí)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(jìn)行門極信號(hào)的切換。另外,對(duì)由多個(gè)IGBT 器件(一組2個(gè)以上)構(gòu)成的裝置在進(jìn)行試驗(yàn)等特性試驗(yàn)時(shí),測(cè)試IGBT 器件以外的門極—發(fā)射極間必須予以短路。
(4)機(jī)械應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品的破壞
       IGBT 器件的端子如果受到強(qiáng)外力或振動(dòng),就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力,有時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞 IGBT 器件內(nèi)部電氣配線等情況。在將IGBT 器件實(shí)際安裝到裝置上時(shí),應(yīng)避免發(fā)生類似的應(yīng)力。如果不固定門極驅(qū)動(dòng)用的印刷基板即安裝時(shí),裝置在搬運(yùn)時(shí)由于受到振動(dòng)等原因,門極驅(qū)動(dòng)用的印刷基板也振動(dòng),從而使IGBT 器件的端子發(fā)生應(yīng)力,引起 IGBT 器件內(nèi)部電氣配線的損壞等問題。為了防止這種不良情況的發(fā)生,需要將門極驅(qū)動(dòng)用的印刷基板固定。
如電氣配線用的+、—導(dǎo)體問有高低差時(shí),IGBT 器件的端子將處于不斷地承受向上拉伸應(yīng)力的狀態(tài),可能導(dǎo)致IGBT 器件內(nèi)部的電氣配線斷線等問題。為預(yù)防此類不良情況的發(fā)生加入導(dǎo)電性的襯墊使平行導(dǎo)體間的高低差消失。另外,若出現(xiàn)配線高度位置的偏離,同樣會(huì)使端子承受很大的拉伸應(yīng)力或外力,也會(huì)出現(xiàn)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(jié)溫Tj超過芯片的最大溫度限定,目前應(yīng)用的IGBT 器件還是以Tjmax =150℃的NPT技術(shù)為主流的,為此在IGBT應(yīng)用中其結(jié)溫應(yīng)限制在該值以下。
Tags:變頻器,IGBT模塊,損壞  
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