大容量IGBT可靠性的分析_圖文

1、文章編號(hào):1004-289X(200804-0001-04大容量I G BT可靠性的分析屈維謙1,王久和2(11北京內(nèi)達(dá)調(diào)速科技有限公司,北京100080;21北京信息工程學(xué)院,北京100101摘要:針對(duì)大功率I G BT在變頻、斬波調(diào)速應(yīng)用中實(shí)際出現(xiàn)的擊穿、爆炸的現(xiàn)象,從I G BT的結(jié)構(gòu)、定額、過(guò)載能力、管芯結(jié)構(gòu)、模塊結(jié)構(gòu)與散熱、驅(qū)動(dòng)與隔離入手,結(jié)合對(duì)I G BT的解剖分析,對(duì)I G BT進(jìn)行了可靠性分析。指出了影響I G BT可靠性的諸多因素,提出了提高I G BT可靠性的措施。關(guān)鍵詞:大容量I G BT;可靠性;標(biāo)稱電流;過(guò)載能力;管芯并聯(lián);驅(qū)動(dòng)隔離中圖分類(lèi)號(hào):T N32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

2、Ana lysis on Reli a b ility of H i gh Power I GBTQU W ei2qian1,WAN G J iu2he2(11Beijing Neida Speed Regulati on Co.L td.,Beijing100080,China;21Beijing I nfor mati on Technol ogy I nstitute,Beijing100101,ChinaAbstract:Fr om the texture,rated,overl oad ability,constructi on of transist or core,module

3、compositi on and radiati on, drive and separati on,co mbined with dissecti on f or I G BT,this paper analyzes the reliability of high power I G BT refer t o puncture and exp l osi on of high po wer I G BT in converter and chopp ing wave s peed-regulati on in p ractice.Meanti m e,the fact ors influen

4、cing the reliability and measures increasing the reliability of high power I G BT are pointed out.Key words:high power I G BT;reliability;rated current;overl oad ability;parallel of transist or core;drive and separati on1前言功率半導(dǎo)體可控器件,按性能、原理可劃分為晶體管和晶閘管兩大類(lèi),其特點(diǎn)為“理想的導(dǎo)通器件是晶閘管,而理想關(guān)斷器件是晶體管”1?？梢?jiàn),晶體管和晶閘管各有利弊,

5、這一點(diǎn)在大容量器件上表現(xiàn)的尤為突出。I G BT(絕緣柵雙極型晶體管是繼GT R(功率晶體管之后研發(fā)出的新型功率晶體管器件,主要解決GT R存在的二次擊穿問(wèn)題。I G BT是將MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管和GT R集成一體的復(fù)合器件,具有驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn),特別是解決了二次擊穿問(wèn)題,安全工作區(qū)擴(kuò)寬,器件可靠性有所提高2。目前的I G BT,已經(jīng)由起初的200A/1200V發(fā)展到1500A/3000V。但工程應(yīng)用反饋的情況表明,大容量I G BT的故障損壞率較比小電流的高很多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中、高壓變頻器因I G BT失效而導(dǎo)致的故障占90%以上,而且年故障率較高,例如進(jìn)口中壓變頻器(6

6、90V/ 400k W,年均損壞56次;某電廠的6kV/560k W高壓變頻因故障率和維修費(fèi)用高,甚至放棄了使用。大功率I G BT的可靠性問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的關(guān)注,人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到,功率晶體管并非期待的那么理想,而晶閘管也不是誤認(rèn)為的那樣落后。近年來(lái), ABB等公司開(kāi)始由I G BT轉(zhuǎn)而研究I GCT,后者是一種集成門(mén)極換向的晶閘管,目的是至少在大功率領(lǐng)域取代I G BT,以提高器件可靠性。據(jù)資料介紹和作者的初步實(shí)踐,I GCT的確在大容量領(lǐng)域較比I G BT有明顯優(yōu)勢(shì),器件的可靠性可以高出I G BT近百個(gè)數(shù)量級(jí),但是I GCT在應(yīng)用中也暴露出一些問(wèn)題,例如集成門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路與晶閘管主電

7、路沒(méi)有電磁隔離,價(jià)格昂貴。造成大容量I G BT損壞率高的原因究竟是什么?應(yīng)該怎樣根據(jù)容量等級(jí)合理應(yīng)用I G BT?本文根據(jù)I G2 BT的技術(shù)性能和特點(diǎn),結(jié)合多年的生產(chǎn)、科研實(shí)踐進(jìn)行分析和探討,供同行參考。2I G BT的電流定額與選型和晶閘管的標(biāo)稱電流原則完全不同,I G BT的標(biāo)稱電流不是以器件長(zhǎng)時(shí)工作所能通過(guò)的電流平均值(或有效值為原則,而是按允許的瞬時(shí)最大集電極電流I C M 來(lái)標(biāo)定,I C M 通常以器件的耗散功率和結(jié)溫為條件,根據(jù)圖1所示的安全工作區(qū),限制I G BT 的集電極電流的要素為:(1I C M 隨U CE 的增大而減小;(2I C M 隨導(dǎo)通時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。應(yīng)該注意

8、,器件周期性工作,截止時(shí)間同樣是影響器件溫升的要素,很多資料給出的安全工作區(qū),僅以絕對(duì)導(dǎo)通時(shí)間為參數(shù),沒(méi)有說(shuō)明工作周期或截止時(shí)間,這是值得商榷的。實(shí)際應(yīng)用的I G BT 的電流選擇十分重要,合理的選擇應(yīng)該依據(jù)器件電流的有效值,顯然和I C M 無(wú)法對(duì)應(yīng)。要通過(guò)解析法準(zhǔn)確計(jì)算出I G BT 電流有效值是十分困難的,只有借助經(jīng)驗(yàn)或圖解法。然而I G BT 的特性各異,安全工作區(qū)也只能定性地說(shuō)明集電極電流確定的規(guī)律,不可能以此準(zhǔn)確定量,這是I G BT 器件應(yīng)用中普遍遇到的問(wèn)題。 圖1I G BT 的安全工作區(qū)I G BT 電流定額的上述標(biāo)定原則,使得應(yīng)用時(shí)必須要根據(jù)電路和器件的安全工作區(qū)對(duì)標(biāo)稱電流

9、打折扣,通常在中頻脈沖工作條件下要折半處理,例如,電流為300A 的I G BT 器件,在頻率為50500Hz 脈沖狀態(tài)下工作,折算成有效值電流最多也只有150A 。如果在直流工作時(shí),或者重要設(shè)備應(yīng)用,還要打折更多,例如直流工作的300A 器件,最多通過(guò)100A 電流。這還只是I G BT 器件電流的折算,沒(méi)有慮及過(guò)流系數(shù),考慮到I G 2BT 的過(guò)電流能力遠(yuǎn)較晶閘管為差,過(guò)流系數(shù)的選擇至少要比晶閘管高出1倍。3電流過(guò)載能力實(shí)踐證明,半導(dǎo)體器件在靜態(tài)電流下工作的損壞率是很低的,造成電流損壞的多為動(dòng)態(tài)沖擊電流,由于電路工作條件的隨機(jī)性,電流過(guò)載總是不可避免的。解決過(guò)載損壞器件的有效方法是保護(hù),但

10、是所有的保護(hù)都是滯后的。于是,在故障發(fā)生到保護(hù)執(zhí)行的期間,I G BT 總要承受過(guò)電流沖擊,要避免I G BT 損壞,就要依靠器件的過(guò)載能力。I G BT 的過(guò)電流能力較差,表1給出了晶閘管和I G BT 過(guò)電流和標(biāo)稱電流參數(shù)的能力對(duì)比。表1晶閘管和I G BT 的電流參數(shù)對(duì)比參數(shù)類(lèi)別晶閘管I G BT 備注過(guò)流倍數(shù)10倍1倍兩者相差10倍過(guò)流時(shí)間10m s10s 兩者相差1000倍標(biāo)稱性質(zhì)平均值瞬時(shí)值指器件通態(tài)電流標(biāo)稱屬性折算系數(shù)1157013015將標(biāo)稱電流轉(zhuǎn)換為有效值由表可見(jiàn),I G BT 承受過(guò)流能力較比晶閘管相差甚遠(yuǎn),為了有效保護(hù)I G BT 的過(guò)流損壞,必須要使檢測(cè)和保護(hù)電路具有快

11、速性,響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該根據(jù)過(guò)流程度在410s 。過(guò)流保護(hù)的快速性雖然可以解決器件的電流致?lián)p問(wèn)題,但是又帶來(lái)了電流突變引發(fā)的過(guò)電壓困難。實(shí)際的設(shè)備中,母線的分布電感是無(wú)法避免的,快速過(guò)流保護(hù)將在分布電感兩端產(chǎn)生e L =-L s d i /d t 的感應(yīng)電勢(shì),并作用在器件之上,導(dǎo)致器件承受過(guò)電壓,如保護(hù)不當(dāng),將使器件電壓擊穿。由此可見(jiàn),I G BT 的過(guò)流保護(hù)是一項(xiàng)很復(fù)雜的技術(shù),器件的可靠,更多的是憑借自身的能力,而不是簡(jiǎn)單地依賴保護(hù)。4I G BT 的管芯與并聯(lián)管芯是指器件內(nèi)部的半導(dǎo)體芯片,是器件工作的核心部分。鑒于半導(dǎo)體器件的離散性和過(guò)流能力,一定的電流盡量由單一的芯片承擔(dān),不要采用多個(gè)器件或芯

12、片外部并聯(lián)的方式,理由是單一芯片的各部導(dǎo)電性幾乎是完全對(duì)稱的,電流通過(guò)時(shí)芯片各部的電流密度均勻,不致產(chǎn)生局部電密高而損壞的現(xiàn)象。多芯片或多器件外部并聯(lián)則完全相反,由于芯片和器件的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性不可能完全對(duì)稱,必然造成不均流現(xiàn)象,或是導(dǎo)通時(shí)間不一,或是電流分配不勻,器件因此損壞就不難理解了。較大電流的I G BT 都采用模塊封裝工藝,芯片被一次性固化在模塊內(nèi)部,不易觀察。為了了解I G BT 芯片情況,作者解剖了產(chǎn)品中損壞的幾種I G BT 模塊,如圖2所示。解剖結(jié)果表明,模塊標(biāo)稱電流為300A 的器件,實(shí)際是4只75A 芯片并聯(lián);而標(biāo)稱為600A 的模塊,內(nèi)部則是8只芯片并聯(lián)。大功率I G B

13、T 應(yīng)用實(shí)踐中反映出來(lái)的損壞率高的問(wèn)題,顯然和器件的多芯并聯(lián)密切相關(guān),除了不均流導(dǎo)致的電流損壞之外,多芯并聯(lián)將使器件的電壓可靠性大為降低。原因是并聯(lián)的芯片只要由一個(gè)電壓擊穿,整個(gè)器件就完全失效,器件耐壓的可靠性是并聯(lián)芯片耐壓可靠性的乘積,多芯并聯(lián)的弊端顯而易見(jiàn)。 (a 三菱I G BT -600A (b 優(yōu)派克I G BT -300A圖2I G BT 解剖圖很多I G BT 資料中強(qiáng)調(diào)I G BT 具有正的溫度系數(shù),通態(tài)壓降隨電流同比變化,因此具有自均流能力,適合于并聯(lián)使用。這種觀點(diǎn)有失偏頗,I G BT 的自均流特性較比晶閘管固然優(yōu)越,但是這種自均流是建立在管芯的穩(wěn)態(tài)溫度基礎(chǔ)之上,如果在管芯

14、溫度沒(méi)有響應(yīng)到穩(wěn)態(tài),均流就無(wú)從談起。再者,自均流是不得不采用并聯(lián)時(shí)才能夠表現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn),如果能夠不并聯(lián),總要比并聯(lián)的自均流要好。5模塊結(jié)構(gòu)與散熱半導(dǎo)體的模塊結(jié)構(gòu)具有安裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),較大功率的I G BT 無(wú)一例外地采用模塊封裝形式。然而,模塊結(jié)構(gòu)也存在缺點(diǎn),散熱性能較差便是其中之一。模塊結(jié)構(gòu)的問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)外普遍重視,器件壓接方式重新得到肯定,文獻(xiàn)3指出:“壓接式通常受歡迎,因?yàn)樗鼈兙哂懈邿嵫h(huán)性能,與模塊相比具有更高的激增電阻,因?yàn)榻M件用正機(jī)械壓力壓裝,無(wú)焊接引線,從而在浪涌情況下不易汽化”。而且“僅有壓接技術(shù)被認(rèn)為是可靠的組裝技術(shù)”。 模塊工藝是將半導(dǎo)體芯片通過(guò)絕緣貼附在散

15、熱金屬底板之上,將電極引出,然后進(jìn)行整體塑料封裝。模塊的封裝工藝導(dǎo)致芯片單極、器件單面散熱,散熱效果明顯遜色于壓接式。根據(jù)實(shí)踐,在同等耗散功率和散熱條件下,壓接器件的溫度要比模塊的溫度低一半;因此模塊結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用在200A 以下的器件,產(chǎn)品大于200A 的模塊器件,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際酌情降容使用。溫度是半導(dǎo)體器件安全工作的最重要條件之一,幾乎所有的器件參數(shù),都是建立在一定溫度的條件下,超出規(guī)定的溫度界限,器件標(biāo)定的技術(shù)性能都將遭到破壞。作者曾參與處理一臺(tái)變流設(shè)備故障,一只1000A /2000V 隔離用整流二極管在連續(xù)安全運(yùn)行8個(gè)月后發(fā)生損壞,經(jīng)過(guò)歷時(shí)一月的反復(fù)檢查,先后更換8次器件,甚至連周?chē)娐?/p>

16、的所有器件也都更換,但該器件損壞問(wèn)題始終沒(méi)有解決。最后檢查發(fā)現(xiàn),原來(lái)是該二極管采用的熱管散熱器,由于質(zhì)量問(wèn)題,制冷劑泄漏失效,導(dǎo)致二極管在工作一段時(shí)間后溫度超標(biāo),最終損壞。該案例的困難是,由于熱管散熱器殘存的作用,短時(shí)間二極管溫度沒(méi)有明顯升高,很容易誤導(dǎo)為電氣故障。為了便于分析故障,解剖損壞的二極管,發(fā)現(xiàn)有的管芯表現(xiàn)為大面積的電流擊穿,也有的是邊緣的小面積電壓擊穿,無(wú)法確定電氣故障原因。由此案例可以看出,溫度對(duì)于半導(dǎo)體器件影響是非常重要。壓接式工藝只能適用于管芯型器件,那么I G BT 為什么不采用管芯結(jié)構(gòu)?原因在于I G BT 屬于晶體管,其生產(chǎn)工藝與晶閘管區(qū)別甚大。受工藝的限制,目前,大電

17、流的達(dá)林頓型多只復(fù)合的晶體管很難制作成單一芯片;換言之,只能生產(chǎn)小電流的芯片。因此,電流較大的I G BT 只好采用多只小電流芯片并聯(lián)技術(shù),器件結(jié)構(gòu)也只能選擇為模塊。6I G BT 的驅(qū)動(dòng)與隔離幾乎所有的功率半導(dǎo)體器件都是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),如果器件偏離了開(kāi)關(guān)工作狀態(tài),進(jìn)入高內(nèi)阻的放大區(qū),器件將瞬間過(guò)熱而損壞。晶體管和晶閘管的原理不同,晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效于圖3(a 中P NP 和NP N 兩只晶體管的連接,正反饋建立了,器件沒(méi)有放大區(qū),只要門(mén)極驅(qū)動(dòng)能夠使器件導(dǎo)通;之后,門(mén)極就失去了作用,可以采用很窄的脈沖。晶體管則不然,晶體管不僅存在很寬的放大區(qū)如圖3(b ,而且集電極的導(dǎo)通必須一直依賴基極的控

18、制作用;另外,要使晶體管工作在安全的飽和區(qū),基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不得異常,否則晶體管可能因此進(jìn)入放大區(qū),器件瞬間損壞。(a (b 圖3晶閘管等效電路及晶體管的特性曲線驅(qū)動(dòng)隔離是指功率半導(dǎo)體的控制電路和主電路避免電氣聯(lián)系,這對(duì)于器件和裝置的可靠性至關(guān)重要。如果沒(méi)有隔離,高壓大電流的主電路將通過(guò)分布參數(shù)對(duì)弱電的控制電路和器件產(chǎn)生破壞性影響,或是損壞控制器件,或是干擾控制電路使主電路不能正常工作,造成系統(tǒng)可靠性降低。驅(qū)動(dòng)隔離最可靠、經(jīng)濟(jì)的辦法是采用無(wú)源的隔離變壓器4,這種技術(shù)在晶閘管中得到了廣泛的應(yīng)用,效果極佳。但是對(duì)于I G BT 類(lèi)的晶體管就不能簡(jiǎn)單采用,原因是I G BT 的導(dǎo)通依賴于柵極的驅(qū)動(dòng),如果

19、導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng),驅(qū)動(dòng)脈沖必然相應(yīng)較寬,脈沖變壓器只能傳輸直流分量較小的窄脈沖,無(wú)法傳輸直流分量較大的寬脈沖。應(yīng)該說(shuō)明,目前廣泛應(yīng)用的光電隔離和變壓器隔離是有著顯著區(qū)別的,光電隔離屬于有源隔離,隔離輸出端必須存在控制電源,通常還要加以放大等處理,這些弱電器件又遇到和主電路共地的問(wèn)題,實(shí)質(zhì)上并未徹底隔離。I G BT 在應(yīng)用中,因隔離和驅(qū)動(dòng)問(wèn)題造成的損壞比例是極高的。據(jù)統(tǒng)計(jì),變頻調(diào)速尤其是高壓變頻設(shè)備,驅(qū)動(dòng)引起的I G BT 燒毀大約在30%以上。而根據(jù)有關(guān)資料介紹,目前,一些歐美公司已經(jīng)采用高頻變壓器驅(qū)動(dòng)隔離,產(chǎn)品的故障率明顯降低,大功率I G BT 模塊也極少出現(xiàn)問(wèn)題。7I G BT 爆炸分析云

20、南劍川某企業(yè)發(fā)生了斬波調(diào)速設(shè)備中I G BT 發(fā)生爆炸,爆炸后的I G BT 模塊如圖4所示;同時(shí),陸續(xù)又有變頻設(shè)備的I G BT 爆炸問(wèn)題接踵而至,I G BT 為什么會(huì)產(chǎn)生如此嚴(yán)重的故障后果? 圖4爆炸后的I G BT 圖5通過(guò)電感抑模塊照片制動(dòng)態(tài)短路電流上升率對(duì)于I G BT 發(fā)生爆炸,國(guó)外早有文獻(xiàn)分析和記載,如文獻(xiàn)3認(rèn)為,I G BT 發(fā)生爆炸歸結(jié)為:“現(xiàn)代的I G BT 變流器分布電感較小,沒(méi)有對(duì)d i /d t 限制的電感。如果失效發(fā)生,設(shè)備中的電容所存儲(chǔ)的能量將會(huì)被快速釋放。(能量通過(guò)I G BT 器件模塊內(nèi)的鍵合線(金屬聯(lián)線被汽化,而且絕大多數(shù)的能量以等離子體的形式釋放。如果等

21、離子體由于模塊設(shè)計(jì)而被限制在一個(gè)小的容積中,便可能引起爆炸。爆炸產(chǎn)生許多高能碎片將會(huì)損壞變流器的基本結(jié)構(gòu),以及周邊的器件,還有可能傷及暴露的工作人員”。作者認(rèn)為,I G BT 爆炸有內(nèi)因和外因。內(nèi)因的關(guān)鍵在于模塊結(jié)構(gòu),首先是模塊的容積。為了減小體積,模塊的容積不可能太大,否則模塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)不復(fù)存在。為了在較小的模塊容積條件下避免可能產(chǎn)生的爆炸,必須采用充填工藝,充填物質(zhì)應(yīng)該具有膠粘性,并且能夠吸收故障產(chǎn)生的大量能量。實(shí)驗(yàn)表明,如果能釋放出15kJ 的能量,就可以避免爆炸發(fā)生,即使模塊嚴(yán)重?fù)p壞,也不至于有大塊的金屬碎片噴濺出來(lái)。據(jù)悉,目前國(guó)外已經(jīng)就此采取了措施。外因是重點(diǎn)。導(dǎo)致I G BT 發(fā)生爆炸的電氣原因必然是嚴(yán)重的過(guò)流,按目前I G BT 過(guò)流保護(hù)技術(shù),穩(wěn)態(tài)過(guò)流是可以抑制的,關(guān)鍵是動(dòng)態(tài)的瞬時(shí)過(guò)流,很難有效保護(hù)。其實(shí),抑制動(dòng)態(tài)過(guò)流的最簡(jiǎn)單辦法就是在I G BT 回路串聯(lián)一定的電感,如圖5