IGBT动态过电压失效的研究

绝缘栅型双极晶体管（IGBT）过电压击穿是一种常见的失效形式。由于电路中存在杂散电感,关断时会产生瞬间的高电压而引起动态雪崩击穿。通常误认为发生雪崩击穿是造成IGBT过压失效的根本原因。针对此问题,基于IGBT基本结构和PN结雪崩击穿原理,利用SilvacO软件仿真IGBT正向阻断以及关断瞬态时的电流密度分布,并从能量的角度深入分析得出过电压击穿的本质是结温过高引起的热失效,并从理论上给出了几种改进措施,为IGBT的正确使用与工艺改进提供理论参考。     

IGBT电压击穿特性分析

针对绝缘栅双极晶体管(IGBT)应用选型中长期以来采用经验的粗放式设计方法,本文基于IGBT结构和PN结雪崩击穿原理,分析了场终止型IGBT雪崩击穿电压的计算公式和测量方法。由于线路和器件内部分布电感的存在,开关时会产生一个电压尖峰,分析了IGBT过电压击穿特性和电压尖峰的抑制方法。针对通常认为一旦发生过电压击穿就会损坏器件的错误认识,分析了IGBT过电压击穿失效机理和失效模式,发现过电压击穿失效本质是由于热量累积引起结温上升的热击穿失效,失效模式初始表现为短路最终表现为开路,最后实验验证了IGBT具有可承受短时过电压击穿的能力。     

重杂散电感电磁搅拌专用变频电源IGBT关断尖峰电压研究

由主电路回路和功率器件内部寄生杂散电感引起的电磁搅拌电源中IGBT开关器件关断尖峰电压过高是电磁搅拌专用变频电源失效的主要原因之一。以某公司老一代大功率电磁搅拌器专用变频电源中IGBT关断尖峰高导致功率开关器件过压损坏为例,首先分析了IGBT关断尖峰电压产生的原因及IGBT关断尖峰电压过高带来的危害,接着总结目前常用的IGBT过压尖峰解决办法及利弊,并最终采用IGBT的分级关断技术方案来解决电磁搅拌专用变频电源中IGBT关断尖峰电压过高的问题。实践证明,采用所提出的解决IGBT过压尖峰的措施后,几乎杜绝了电磁搅拌器专用变频电源因IGBT过压而失效的现象。     

大功率IGBT串联电压失衡机理及均压方法

由于IGBT串联器件参数差异、栅极信号延时以及分布电感不一致等,导致IGBT串联器件在开关过程中存在电压分配不均的现象。IGBT电压分配不均匀会导致个别器件因电压过高而被击穿,进而导致整个串联系统故障。主要从集一栅极电容Ccg不同、栅极电阻Rg不同和驱动电路信号延时这三个方面研究了IGBT串联电压不均的机理,通过仿真对比了RCD缓冲电路、栅极驱动端均压电路和有源钳位均压电路的串联均压效果,为研究IGBT串联电压不均的方法提供了理论基础。     

基于电磁场路的IH谐振电压研究与优化

目前IH技术已经被广泛运用,在家电领域通常采用由单个IGBT构成的并联谐振拓扑,而在实际使用中,IGBT被过压击穿导致主板故障率居高不下。为了研究IH谐振电压特性,对IH负载等效阻抗进行了分析,并在Maxwell中建立实物三维模型进行有限元仿真,抽取其阻抗参数值;代入在Simplorer搭建的IH并联谐振自调频模型中,分析计算IGBT峰值电压应力,并通过单项测试验证了场-路仿真的准确性。最后基于上述理论-仿真-实验体系搭建的IH谐振电压分析优化平台,对电磁炉IGBT谐振电压过高问题提出解决方案,并通过实验验证,降低了谐振电压,达到了产品安全余量要求。     

高压IGBT在di/dt缓冲电路中的短路特性

di/dt缓冲电路中较高的开通电感使IGBT短路特性在两种短路模式下有明显的不同,由于短路开通时集电极-发射极电压的急剧减小,IGBT短路模式一中的特性变得格外重要,而且还引起VCE变陡峭的去饱和过程。本文描述了该失效模式中IGBT特性,并给出了快速检测这种失效的两种备选方案。利用大面积高压压封IGBT模块及单IGBT芯片进行验证测试。     

数值仿真在江苏华创IGBT芯片设计和制造中的应用

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是新能源变频领域的核心器件[1],研发的过程中,数值仿真一直是重要的一环。为了减少研发成本、增加可靠性,本文使用Silvaco数值仿真软件,首先通过现有的产品建立准确的IGBT物理模型,再根据模型中的参数完成了以下工作:(1)对场限环和场版复合型IGBT终端结构设计进行指导,通过改变场版宽度和场限环数量,避免了终端设计缺陷引起电场扩散过快,导致击穿电压下降的问题,实验结果和数值仿真一致;(2)对现有设计结构不同工艺进行预测,评估了工艺改变对器件性能特性变化的影响,数值仿真和失效分析的结论一致指出了工艺条件的缺陷,指出可以降低推进时间来增加击穿电压。     

压接式IGBT在电力系统应用特性分析

高压大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件主要包括模块式和压接式两种封装类型的器件,模块式IGBT器件在国内已经得到广泛应用;压接式IGBT器件具有双面散热特性、短路失效模式等优良的特性,尤其适用于串联型电压源换流器场合,在电力系统应用领域具有独特的优势。在串联应用时,需要重点考虑串联电压平衡控制、短路保护、抗电磁干扰设计等因素。     

电磁炉单元电路故障的检修技法(一)

一、屡烧保险管、IGBT管的故障保险管烧毁故障检修逻辑如图1所示。屡烧保险管故障现象大多是由于IGBT管烧毁而引起的,IGBT管损坏的几大原因如下。原因1:谐振电容和高压滤波电容失效、容量变小、虚焊或漏电,将导致电磁炉LC振荡电路频率偏高,从而引起IGBT管过压损坏。原因2:IGBT管激励电路出现异常,使振荡电路输出的脉冲信号不能直接控制IGBT管导通、饱和及截止,导致IGBT过压瞬间击穿损坏。最常见的有驱动管S8050、S8550或驱动IC等损坏。     

寄生参数对三相逆变器的影响与抑制方法

针对三相逆变器过冲电压导致绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的过压击穿和误导通问题,提出一种减小寄生参数的三相逆变器设计方案。首先建立IGBT换流通路和驱动回路的电路模型,然后分析线路寄生参数对IGBT开关过程的影响,最后给出分立式IGBT构成的三相逆变器设计方案并制作实物进行物理验证。研究结果表明,线路杂散电感是造成IGBT关断过电压的主要原因,IGBT与驱动电路集成的三相逆变器寄生参数影响最小。实验结果验证了结论分析的正确性。     

一种车用IGBT开关过电压保护电路设计

对车用IGBT的驱动电路与关断保护电路的原理进行分析,提出一种新的开关过电压保护电路,通过驱动电路与保护电路进行配合达到对动态的电压上升的控制,最终稳定地驱动IGBT并保护IGBT不会因过压而损坏。通过在PSpice中建立仿真原理图并进行仿真,由仿真结果证实了该电路可以有效抑制IGBT关断过程中产生过电压,保护IGBT关断,从而提高电路的稳定性。     

固态断路器多IGBT串联混合均压电路设计

固态断路器需多IGBT串联切断短路故障电流,针对多IGBT存在电压分配不均、局部电压过高、损耗大等问题,提出一种混合式均压控制电路拓扑结构。分析固态断路器多IGBT均压影响因素,研究均压拓扑性能。优化缓冲电路结构,改进充放电型缓冲电路,减小损耗;引入双阈值钳位控制电路,改善IGBT过电压;提出被动均压与辅助反馈主动均压结合的混合均压控制策略,加快响应速度,实现均压动态自适应调节。制作样机,进行固态断路器设计拓扑和控制的仿真及实验验证,结果表明：混合式均压控制电路可减小IGBT电路超调量,具备更强的抑制过电压能力,提升响应速度。     

使用表面回应法与群集分析优化IGBT特性

近年来电力电子正朝向高电压、高电流及低切换损失方向迈进，而绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在功率组件市场上更是占有重要的一席之地。但受限于组件晶闸管结构(Thyristor Structure)及组件本身之阻抗，故IGBT击穿电压及功率消耗常备受限制。因此如何提高耐压，同时降低组件本身之阻抗，避免组件提早击穿烧毁，便成为一重要课题，而本研究将提出如何应用表面回应方法 (Response Surface Method， RSM)，配合实验设计(Design of Experiment， DOE)及群集分析法(Cluster Analysis)，建构出一套组件实用的数值建模及分析流程，以利于分析如何抑制IGBT组件提前击穿，同时降低组件本身导通电阻。另外，本研究方法，有别于以往组件建模方法，藉由群集分析的加入，使吾人在分析问题上，更能察觉组件关键因子。     

基于IGBT串联技术的高压优性能开关

IGBT串联组合应用可以迅速满足硬开关应用场合中的电压等级要求,一个简易可靠的辅助电路可以有效解决串联IGBT正常运行中的电压不均衡问题。应用OrCAD／PSpice仿真软件,对比分析了单管CM600HA-24H（600A／1200V）和两个CM600HA-12H（600A／600V）的串联组合的开关表现。仿真结果表明,和单管IGBT相比较,IGBT串联组合在能量损耗、集电极过电压以及开关频率等方面有着明显的优势,从理论上证明了IGBT串联组合可以有着更好的开关表现,对实践有一定的指导意义。     

蓄电池放电DC／DC直流变换保护电路的设计

主要介绍了一种新型的单相有源逆变蓄电池回馈放电装置的第一级变换电路——DC／DC直流变换保护电路的设计方法,DC／DC变换电路具有IGBT过流、过热、输入过压、输入欠压、输入过流、直流过压等多种保护类型,对从事蓄电池放电技术研究的工程技术人员具有较高的参考价值。     

饱和铁心型超导限流器压敏电阻的实验

压敏电阻可抑制超导限流器断直流时产生的高压,同时加速直流励磁能量的释放以促使限流器交流侧快速退饱和,进入感性限流状态。为验证其保护和能量吸收作用,用NI采集卡、Labview以及其他电流电压传感器和可控的IGBT器件设计和制造了检测控制系统。对不同压敏电压等级的压敏电阻进行断直流的放电实验以验证其抑制电压的保护作用。结果表明:断直流时储存能量的释放是超导限流器产生高压的原因;励磁储能一定且压敏电阻通流量一定的条件下,压敏电压越大断直流产生的电压也越大,同时电流断开时间越小则能量释放时间越小。所得结果为设计更大容量的超导限流器,选择不同压敏电阻的压敏电压和通流量等级提供了实验和计算参考。     

电压源换流器中IGBT串联动态均压新方法

由动态电压不均衡引起的器件击穿致使串联失败是串联的关键问题。传统无源缓冲电路是以牺牲绝缘栅双极晶体管(IGBT)快速性换取电压均衡,IGBT损耗大。建立功率端与驱动端反馈的新型剩余电流动作保护器(RCD)动态均压电路替代传统无源缓冲电路,对电路的均压效果和串联IGBT开关损耗进行仿真分析。试验验证了该动态均压电路在IGBT串联运行时能很好地抑制其驱动信号不同步造成的动态电压不均衡,确保了电压源换流器的安全运行。     

高压多芯片并联 IGBT 模块故障监测方法

绝缘栅双极型晶体管( IGBT) 作为电力电子装置的关键核心器件,其高可靠性是系统长久稳定运行的重要保障,对 IGBT 模块进行故障监测是提高系统可靠性的有效方式之一。 提出一种新的健康敏感参数-栅极-发射极导通前电压 VGE(pre-on) , 用于监测高压多芯片并联 IGBT 模块中的 IGBT 芯片故障。 首先,对现有故障监测方法进行比较,然后建立导通前电压可靠性 模型,再通过监测导通瞬态期间的 VGE(pre-on)来检测高压多芯片并联 IGBT 模块中的 IGBT 芯片故障。 为验证该方法的可行性,对 16 芯片 DIM800NSM33-F IGBT 模块进行了仿真,结果显示,在不同外部条件下,每个并联 IGBT 芯片故障所产生的导通前电压 VGE(pre-on)的平均偏移约为 900 mV,且具有较高的灵敏度和抗干扰能力,可有效监测 IGBT 模块芯片故障。