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了解IGBT 模塊損壞的真正原因

2020-10-27 10:34:56 1255 字號(hào)



    IGBT在使用過(guò)程中經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載的沖擊,承受過(guò)負(fù)荷甚至負(fù)載短路等,可能導(dǎo)致IGBT損壞。 IGBT模塊在使用時(shí)的損壞原因主要有以下幾種情況。(1)過(guò)電流損壞①鎖定效應(yīng)。IGBT 為復(fù)合器件,其內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管,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),于是寄生晶閘管開(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)(>10us)。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 10us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必須在更短的時(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 du/dt 過(guò)壓電等。大多數(shù)過(guò)電壓保護(hù)的電路設(shè)計(jì)都比較完善,但是對(duì)于由高 du/dt所導(dǎo)致的過(guò)電壓故障,基本上都是采用無(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,往往在集電極-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)控制可以解決過(guò)高的 du/dt 帶來(lái)的集電極發(fā)射極瞬間過(guò)電壓?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)斷的IGBT,由于其反并聯(lián)二極管(續(xù)流二極管)的恢復(fù),其集電極-發(fā)射極兩端的
    電壓急劇上升,從而承受瞬間很高的 du/dt。多數(shù)情況下,該 du/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du/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 UGE值的升高,甚至超過(guò)IGBT的開(kāi)通門(mén)限電壓UGE(th)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)過(guò)熱損壞過(guò)熱損壞一般指使用中 IGBT模塊的結(jié)溫正超過(guò)晶片的最大溫度限定,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 模塊應(yīng)用中其結(jié)溫應(yīng)限制在該值以下。