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邦飛利變頻器維修IGBT模塊損壞的原因分析和故障處理方式

發(fā)布者：zyp 來(lái)源：上海仰光電子科技有限公司發(fā)布時(shí)間：2023-4-21

邦飛利變頻器維修IGBT模塊損壞的原因分析和故障處理方式

IGBT在使用過(guò)程中，經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載、過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)大造成了過(guò)高的功耗而導(dǎo)致器件的損壞。
2)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流運(yùn)行。IGBT模塊長(zhǎng)時(shí)間過(guò)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(guò)器件標(biāo)稱值，IGBT必須在更短時(shí)間內(nèi)被關(guān)斷。
(2)過(guò)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(guò)IGBT 器件的最高峰值電壓，將造成IGBT擊穿損壞。IGBT過(guò)電壓損壞可分為集電極—柵極過(guò)電壓、柵極—發(fā)射極過(guò)電壓、高dv/dt過(guò)電壓等，大多數(shù)的過(guò)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(guò)電壓故障，在設(shè)計(jì)上都是采用無(wú)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(guò)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(guò)電壓而損壞。
采用柵極電壓動(dòng)態(tài)控制可以解決由于過(guò)高的dv/dt帶來(lái)的集電極—發(fā)射極瞬間過(guò)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(guò)IGBT的開(kāi)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(kāi)放狀態(tài)下外加主電路電壓
在門極—發(fā)射極問(wèn)開(kāi)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(guò)過(guò)大的電流，使器件損壞（這種現(xiàn)象是由于G-E問(wèn)在開(kāi)放狀下，外加主電壓，通過(guò)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(guò)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)等機(jī)械開(kāi)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_(kāi)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(kāi)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)熱損壞
過(guò)熱損壞一般指使用中IGBT的結(jié)溫Tj超過(guò)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。

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