失效原因分析
1.過熱損壞
集電極電流過大引起的瞬時(shí)過熱及其他原因,如散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)過熱均會(huì)使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路,大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升,由于芯片的熱容量小,其溫度迅速上升,若芯片溫度超過硅本征溫度(約250℃),器件將失去阻斷能力,柵極控制就無法保護(hù),從而導(dǎo)致IGBT失效。實(shí)際運(yùn)行時(shí),一般最高允許的工作溫度為130℃左右。
2.超出關(guān)斷安全工作區(qū)
超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞。擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。
IGBT為PNPN四層結(jié)構(gòu),體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管,在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)擴(kuò)展電阻,P型體內(nèi)的橫向空穴電流在此擴(kuò)展電阻上會(huì)產(chǎn)生一定的電壓降,對(duì)NPN基極來說,相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi),這個(gè)正偏置電壓不大,對(duì)NPN晶體管不起任何作用。
當(dāng)集電極電流增大到一定程度時(shí),該正向電壓足以使NPN晶體管開通,進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是,寄生晶閘管導(dǎo)通,門極失去控制作用形成自鎖現(xiàn)象,這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后,集電極電流增大,產(chǎn)生過高功耗,導(dǎo)致器件失效。
動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快,dv/dt很大,引起較大位移電流,流過擴(kuò)展電阻,產(chǎn)生足以使NPN晶體管開通的正向偏置電壓,造成寄生晶閘管自鎖。
3.瞬態(tài)過電流
IGBT在運(yùn)行過程中所承受的大幅值過電流除短路、直通等故障外,還有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過電流雖然持續(xù)時(shí)間較短,但如果不采取措施,將增加IGBT的負(fù)擔(dān),也可能會(huì)導(dǎo)致IGBT失效。
4.過電壓
過電壓會(huì)造成集電極-發(fā)射極間擊穿,也會(huì)造成柵極-發(fā)射極間擊穿。
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