IGBT故障有哪些常见类型？

IGBT的故障可以从不同维度进行分类，下面我将从故障模式、故障原因、故障现象以及诊断与预防等多个角度进行详细阐述。

按故障模式分类

这是最核心的分类方式,直接关系到IGBT的失效机理。

开路故障

这是最彻底的故障,IGBT完全失去导通能力。

• 现象：电路中某相电流为零或明显偏低，电机缺相运行，导致转矩脉动、振动、噪音，严重时会堵转烧毁电机，在逆变器中,会导致输出电压严重不平衡。
• 原因：
  • 过流冲击：极端的短路或过流导致芯片局部温度急剧升高，焊料融化，键合线烧断,最终形成物理开路。
  • 热疲劳：长期在温度循环应力下工作，焊料层和键合线因热胀冷缩产生疲劳和裂纹,最终断裂。
  • 制造缺陷：芯片本身存在微小的裂纹或薄弱点,在电应力下扩大导致断裂。

短路故障

IGBT的集电极和发射极之间发生低阻抗导通,无法通过栅极关断。

• 现象：直流母线电压直接加在负载（如电机绕组）上，产生巨大的短路电流，电流值远超正常工作电流，若保护不及时，会瞬间烧毁IGBT、驱动电路、直流电容等。
• 原因：
  • 直通短路：同一桥臂的上下两个IGBT因驱动信号逻辑错误、干扰或延迟时间不当而同时导通。
  • 负载侧短路：电机绕组对地短路或相间短路,导致电流从IGBT流向短路点。
  • 绝缘失效：IGBT模块内部绝缘材料（如DBC陶瓷基板、封装材料）因过热、过压或老化而击穿，导致C-E极短路。

参数退化故障

IGBT没有完全失效，但其关键电气性能已恶化,无法满足正常工作要求。

• 现象：系统效率降低、发热增加、控制性能变差，开关速度变慢导致开关损耗增加；导通压降增大导致导通损耗增加；漏电流增大导致异常发热。
• 原因：
  • 长期高温：持续的高温会加速IGBT芯片、封装材料的老化，导致载流子迁移率下降,导通压降升高。
  • 电压/电流应力：反复的电压过冲和电流冲击会累积损伤芯片的栅氧层和PN结结构。
  • 栅氧层退化：栅极氧化层非常薄，在高压应力或静电放电下容易被击穿或形成陷阱，导致阈值电压漂移、栅漏电流增大。

按故障原因分类

这是从外部和内部因素来分析故障的根源。

电气应力导致的故障

这是最常见的原因。

• 过压：
  • 原因：主电路中存在寄生电感，在高速开关时，电流变化率会产生很高的感应电压（V = -L * di/dt），可能超过IGBT的额定耐压，导致C-E击穿,雷击或电网浪涌也可能导致过压。
  • 后果：IGBT永久性击穿短路。
• 过流：
  • 原因：负载突变、电机堵转、输出短路等，IGBT的短路耐受时间非常短（通常为几微秒到几十微秒），如果保护电路不能在此时间内动作,IGBT就会因过热而烧毁。
  • 后果：热烧毁,表现为开路或短路。
• 过热：
  • 原因：
    • 过载运行：长期超过额定电流工作。
    • 散热不良：散热器设计不当、风扇故障、环境温度过高、导热硅脂老化等。
    • 开关损耗/导通损耗增加：因参数退化或驱动条件不佳导致。
  • 后果：热失控，导致芯片烧毁、焊层失效、封装开裂。

驱动与控制电路异常导致的故障

驱动电路是IGBT的“大脑”,其问题直接导致IGBT失效。

• 栅极驱动电压异常：
  • 电压不足：Vge低于阈值电压，IGBT不能完全饱和导通，处于放大区，导致Vce过高、损耗剧增而烧毁。
  • 电压过高：超过栅极最大额定电压（20V）,会永久性击穿栅氧化层。
• 栅极阻抗不匹配：
  • 栅极电阻过大：会减慢开关速度，增加开关损耗,并可能导致关断时产生振荡。
  • 栅极电阻过小：会加快开关速度，但可能导致di/dt和dv/dt过高，引发电磁干扰和寄生导通（直通）。
• 驱动信号异常：
  • 信号丢失：栅极悬空或驱动电路故障,导致IGBT处于不可控的放大区状态而烧毁。
  • 信号振荡：驱动信号边沿不干净，导致IGBT在开通/关断瞬间多次振荡,增加损耗。
  • 上下桥臂信号互锁时间不足：导致直通短路。

机械与热应力导致的故障

• 热疲劳：IGBT模块在反复的通电/断电循环中，芯片、焊料层、基板等不同材料因热膨胀系数不同而产生机械应力，导致焊料层开裂（这是IGBT模块最常见的失效模式之一）。
• 振动与冲击：在车载、船舶等应用中,强烈的振动可能导致键合线断裂或焊层疲劳失效。
• 散热系统故障：如前所述，风扇停转、散热器堵塞、导热硅脂干涸等,会导致IGBT结温持续升高而损坏。

环境与制造因素

• 潮湿与污染：IGBT模块的封装如果密封不良，湿气或导电性污染物进入内部，会降低绝缘性能,在高压下导致漏电或击穿。
• 静电放电：在安装、测试和维修过程中,人体或设备产生的静电可能击穿脆弱的栅极氧化层。
• 制造缺陷：芯片材料缺陷、工艺问题、封装过程中的污染等,可能导致IGBT在早期使用中发生故障。

故障诊断与预防

了解故障的最终目的是为了预防和诊断。

诊断方法

1. 目视检查：观察IGBT模块外观是否有烧焦、炸裂、鼓包的痕迹。
2. 万用表/二极管档测试：
   • 关断状态：C-E之间应呈现二极管特性（正向有压降，反向无穷大），如果短路或电阻很小,则已损坏。
   • 开路状态：如果C-E正反向都无穷大,则可能是开路。
3. 专用测试仪：使用IGBT测试仪可以更精确地测量其导通压降、开关时间等关键参数,判断是否已退化。
4. 在线监测：
   • Vce监测：通过实时监测IGBT导通时的Vce压降,可以判断其是否因老化而导致压降升高。
   • 温度监测：通过在散热器或IGBT模块表面安装温度传感器,实时监控其工作温度。
   • 电流监测：通过霍尔传感器等监测输出电流,判断是否有过流或缺相。

预防措施

1. 合理选型：根据应用工况，留足电压、电流和功率余量,特别是考虑过载和瞬态冲击。
2. 优化驱动设计：选择合适的栅极电阻，确保驱动电压稳定、信号干净,并具备完善的硬件互锁和软关断功能。
3. 加强散热设计：设计足够大的散热器和高效的冷却系统（风冷/水冷）,确保IGBT在任何工况下结温都低于额定值。
4. 完善保护电路：
   • 过压保护：采用RC缓冲电路或钳位电路。
   • 过流保护：快速响应的电流检测和关断电路（如DESAT检测）。
   • 过温保护：通过温度传感器实现降额或关断保护。
5. 优化PCB布局：尽量缩短功率回路的路径，减小寄生电感，驱动电路要远离功率回路,避免干扰。
6. 规范操作与维护：
   • 防静电操作。
   • 定期检查散热系统、清洁散热器。
   • 定期监测系统运行参数（电流、电压、温度）。

IGBT的故障是一个复杂的问题，往往是电气、热、机械、控制等多种因素共同作用的结果，理解其背后的失效机理，从设计、制造、运行到维护的全生命周期进行管理，是确保电力电子系统可靠运行的关键，最常见和致命的故障是短路和过热,一个设计优良的驱动电路和保护系统是IGBT安全工作的生命线。

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