大容量IGBT可靠性的分析_图文

1、文章编号:1004-289X(200804-0001-04大容量I G BT可靠性的分析屈维谦1,王久和2(11北京内达调速科技有限公司,北京100080;21北京信息工程学院,北京100101摘要:针对大功率I G BT在变频、斩波调速应用中实际出现的击穿、爆炸的现象,从I G BT的结构、定额、过载能力、管芯结构、模块结构与散热、驱动与隔离入手,结合对I G BT的解剖分析,对I G BT进行了可靠性分析。指出了影响I G BT可靠性的诸多因素,提出了提高I G BT可靠性的措施。关键词:大容量I G BT;可靠性;标称电流;过载能力;管芯并联;驱动隔离中图分类号:T N32文献标识码: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前言功率半导体可控器件,按性能、原理可划分为晶体管和晶闸管两大类,其特点为“理想的导通器件是晶闸管,而理想关断器件是晶体管”1。可见,晶体管和晶闸管各有利弊,

5、这一点在大容量器件上表现的尤为突出。I G BT(绝缘栅双极型晶体管是继GT R(功率晶体管之后研发出的新型功率晶体管器件,主要解决GT R存在的二次击穿问题。I G BT是将MOSFET(场效应晶体管和GT R集成一体的复合器件,具有驱动功率小、开关速度快等优点,特别是解决了二次击穿问题,安全工作区扩宽,器件可靠性有所提高2。目前的I G BT,已经由起初的200A/1200V发展到1500A/3000V。但工程应用反馈的情况表明,大容量I G BT的故障损坏率较比小电流的高很多。据不完全统计,中、高压变频器因I G BT失效而导致的故障占90%以上,而且年故障率较高,例如进口中压变频器(6

6、90V/ 400k W,年均损坏56次;某电厂的6kV/560k W高压变频因故障率和维修费用高,甚至放弃了使用。大功率I G BT的可靠性问题引起了国内外相关行业的关注,人们已经认识到,功率晶体管并非期待的那么理想,而晶闸管也不是误认为的那样落后。近年来, ABB等公司开始由I G BT转而研究I GCT,后者是一种集成门极换向的晶闸管,目的是至少在大功率领域取代I G BT,以提高器件可靠性。据资料介绍和作者的初步实践,I GCT的确在大容量领域较比I G BT有明显优势,器件的可靠性可以高出I G BT近百个数量级,但是I GCT在应用中也暴露出一些问题,例如集成门极驱动电路与晶闸管主电

7、路没有电磁隔离,价格昂贵。造成大容量I G BT损坏率高的原因究竟是什么?应该怎样根据容量等级合理应用I G BT?本文根据I G2 BT的技术性能和特点,结合多年的生产、科研实践进行分析和探讨,供同行参考。2I G BT的电流定额与选型和晶闸管的标称电流原则完全不同,I G BT的标称电流不是以器件长时工作所能通过的电流平均值(或有效值为原则,而是按允许的瞬时最大集电极电流I C M 来标定,I C M 通常以器件的耗散功率和结温为条件,根据图1所示的安全工作区,限制I G BT 的集电极电流的要素为:(1I C M 随U CE 的增大而减小;(2I C M 随导通时间的延长而降低。应该注意

8、,器件周期性工作,截止时间同样是影响器件温升的要素,很多资料给出的安全工作区,仅以绝对导通时间为参数,没有说明工作周期或截止时间,这是值得商榷的。实际应用的I G BT 的电流选择十分重要,合理的选择应该依据器件电流的有效值,显然和I C M 无法对应。要通过解析法准确计算出I G BT 电流有效值是十分困难的,只有借助经验或图解法。然而I G BT 的特性各异,安全工作区也只能定性地说明集电极电流确定的规律,不可能以此准确定量,这是I G BT 器件应用中普遍遇到的问题。 图1I G BT 的安全工作区I G BT 电流定额的上述标定原则,使得应用时必须要根据电路和器件的安全工作区对标称电流

9、打折扣,通常在中频脉冲工作条件下要折半处理,例如,电流为300A 的I G BT 器件,在频率为50500Hz 脉冲状态下工作,折算成有效值电流最多也只有150A 。如果在直流工作时,或者重要设备应用,还要打折更多,例如直流工作的300A 器件,最多通过100A 电流。这还只是I G BT 器件电流的折算,没有虑及过流系数,考虑到I G 2BT 的过电流能力远较晶闸管为差,过流系数的选择至少要比晶闸管高出1倍。3电流过载能力实践证明,半导体器件在静态电流下工作的损坏率是很低的,造成电流损坏的多为动态冲击电流,由于电路工作条件的随机性,电流过载总是不可避免的。解决过载损坏器件的有效方法是保护,但

10、是所有的保护都是滞后的。于是,在故障发生到保护执行的期间,I G BT 总要承受过电流冲击,要避免I G BT 损坏,就要依靠器件的过载能力。I G BT 的过电流能力较差,表1给出了晶闸管和I G BT 过电流和标称电流参数的能力对比。表1晶闸管和I G BT 的电流参数对比参数类别晶闸管I G BT 备注过流倍数10倍1倍两者相差10倍过流时间10m s10s 两者相差1000倍标称性质平均值瞬时值指器件通态电流标称属性折算系数1157013015将标称电流转换为有效值由表可见,I G BT 承受过流能力较比晶闸管相差甚远,为了有效保护I G BT 的过流损坏,必须要使检测和保护电路具有快

11、速性,响应时间应该根据过流程度在410s 。过流保护的快速性虽然可以解决器件的电流致损问题,但是又带来了电流突变引发的过电压困难。实际的设备中,母线的分布电感是无法避免的,快速过流保护将在分布电感两端产生e L =-L s d i /d t 的感应电势,并作用在器件之上,导致器件承受过电压,如保护不当,将使器件电压击穿。由此可见,I G BT 的过流保护是一项很复杂的技术,器件的可靠,更多的是凭借自身的能力,而不是简单地依赖保护。4I G BT 的管芯与并联管芯是指器件内部的半导体芯片,是器件工作的核心部分。鉴于半导体器件的离散性和过流能力,一定的电流尽量由单一的芯片承担,不要采用多个器件或芯

12、片外部并联的方式,理由是单一芯片的各部导电性几乎是完全对称的,电流通过时芯片各部的电流密度均匀,不致产生局部电密高而损坏的现象。多芯片或多器件外部并联则完全相反,由于芯片和器件的动态和静态特性不可能完全对称,必然造成不均流现象,或是导通时间不一,或是电流分配不匀,器件因此损坏就不难理解了。较大电流的I G BT 都采用模块封装工艺,芯片被一次性固化在模块内部,不易观察。为了了解I G BT 芯片情况,作者解剖了产品中损坏的几种I G BT 模块,如图2所示。解剖结果表明,模块标称电流为300A 的器件,实际是4只75A 芯片并联;而标称为600A 的模块,内部则是8只芯片并联。大功率I G B

13、T 应用实践中反映出来的损坏率高的问题,显然和器件的多芯并联密切相关,除了不均流导致的电流损坏之外,多芯并联将使器件的电压可靠性大为降低。原因是并联的芯片只要由一个电压击穿,整个器件就完全失效,器件耐压的可靠性是并联芯片耐压可靠性的乘积,多芯并联的弊端显而易见。 (a 三菱I G BT -600A (b 优派克I G BT -300A图2I G BT 解剖图很多I G BT 资料中强调I G BT 具有正的温度系数,通态压降随电流同比变化,因此具有自均流能力,适合于并联使用。这种观点有失偏颇,I G BT 的自均流特性较比晶闸管固然优越,但是这种自均流是建立在管芯的稳态温度基础之上,如果在管芯

14、温度没有响应到稳态,均流就无从谈起。再者,自均流是不得不采用并联时才能够表现其优点,如果能够不并联,总要比并联的自均流要好。5模块结构与散热半导体的模块结构具有安装方便、结构紧凑、维修简单等优点,较大功率的I G BT 无一例外地采用模块封装形式。然而,模块结构也存在缺点,散热性能较差便是其中之一。模块结构的问题已经引起国外普遍重视,器件压接方式重新得到肯定,文献3指出:“压接式通常受欢迎,因为它们具有高热循环性能,与模块相比具有更高的激增电阻,因为组件用正机械压力压装,无焊接引线,从而在浪涌情况下不易汽化”。而且“仅有压接技术被认为是可靠的组装技术”。 模块工艺是将半导体芯片通过绝缘贴附在散

15、热金属底板之上,将电极引出,然后进行整体塑料封装。模块的封装工艺导致芯片单极、器件单面散热,散热效果明显逊色于压接式。根据实践,在同等耗散功率和散热条件下,压接器件的温度要比模块的温度低一半;因此模块结构大多应用在200A 以下的器件,产品大于200A 的模块器件,应该根据实际酌情降容使用。温度是半导体器件安全工作的最重要条件之一,几乎所有的器件参数,都是建立在一定温度的条件下,超出规定的温度界限,器件标定的技术性能都将遭到破坏。作者曾参与处理一台变流设备故障,一只1000A /2000V 隔离用整流二极管在连续安全运行8个月后发生损坏,经过历时一月的反复检查,先后更换8次器件,甚至连周围电路

16、的所有器件也都更换,但该器件损坏问题始终没有解决。最后检查发现,原来是该二极管采用的热管散热器,由于质量问题,制冷剂泄漏失效,导致二极管在工作一段时间后温度超标,最终损坏。该案例的困难是,由于热管散热器残存的作用,短时间二极管温度没有明显升高,很容易误导为电气故障。为了便于分析故障,解剖损坏的二极管,发现有的管芯表现为大面积的电流击穿,也有的是边缘的小面积电压击穿,无法确定电气故障原因。由此案例可以看出,温度对于半导体器件影响是非常重要。压接式工艺只能适用于管芯型器件,那么I G BT 为什么不采用管芯结构?原因在于I G BT 属于晶体管,其生产工艺与晶闸管区别甚大。受工艺的限制,目前,大电

17、流的达林顿型多只复合的晶体管很难制作成单一芯片;换言之,只能生产小电流的芯片。因此,电流较大的I G BT 只好采用多只小电流芯片并联技术,器件结构也只能选择为模块。6I G BT 的驱动与隔离几乎所有的功率半导体器件都是工作在开关状态,如果器件偏离了开关工作状态,进入高内阻的放大区,器件将瞬间过热而损坏。晶体管和晶闸管的原理不同,晶闸管的内部结构等效于图3(a 中P NP 和NP N 两只晶体管的连接,正反馈建立了,器件没有放大区,只要门极驱动能够使器件导通;之后,门极就失去了作用,可以采用很窄的脉冲。晶体管则不然,晶体管不仅存在很宽的放大区如图3(b ,而且集电极的导通必须一直依赖基极的控

18、制作用;另外,要使晶体管工作在安全的饱和区,基极驱动信号不得异常,否则晶体管可能因此进入放大区,器件瞬间损坏。(a (b 图3晶闸管等效电路及晶体管的特性曲线驱动隔离是指功率半导体的控制电路和主电路避免电气联系,这对于器件和装置的可靠性至关重要。如果没有隔离,高压大电流的主电路将通过分布参数对弱电的控制电路和器件产生破坏性影响,或是损坏控制器件,或是干扰控制电路使主电路不能正常工作,造成系统可靠性降低。驱动隔离最可靠、经济的办法是采用无源的隔离变压器4,这种技术在晶闸管中得到了广泛的应用,效果极佳。但是对于I G BT 类的晶体管就不能简单采用,原因是I G BT 的导通依赖于栅极的驱动,如果

19、导通时间较长,驱动脉冲必然相应较宽,脉冲变压器只能传输直流分量较小的窄脉冲,无法传输直流分量较大的宽脉冲。应该说明,目前广泛应用的光电隔离和变压器隔离是有着显著区别的,光电隔离属于有源隔离,隔离输出端必须存在控制电源,通常还要加以放大等处理,这些弱电器件又遇到和主电路共地的问题,实质上并未彻底隔离。I G BT 在应用中,因隔离和驱动问题造成的损坏比例是极高的。据统计,变频调速尤其是高压变频设备,驱动引起的I G BT 烧毁大约在30%以上。而根据有关资料介绍,目前,一些欧美公司已经采用高频变压器驱动隔离,产品的故障率明显降低,大功率I G BT 模块也极少出现问题。7I G BT 爆炸分析云

20、南剑川某企业发生了斩波调速设备中I G BT 发生爆炸,爆炸后的I G BT 模块如图4所示;同时,陆续又有变频设备的I G BT 爆炸问题接踵而至,I G BT 为什么会产生如此严重的故障后果? 图4爆炸后的I G BT 图5通过电感抑模块照片制动态短路电流上升率对于I G BT 发生爆炸,国外早有文献分析和记载,如文献3认为,I G BT 发生爆炸归结为:“现代的I G BT 变流器分布电感较小,没有对d i /d t 限制的电感。如果失效发生,设备中的电容所存储的能量将会被快速释放。(能量通过I G BT 器件模块内的键合线(金属联线被汽化,而且绝大多数的能量以等离子体的形式释放。如果等

21、离子体由于模块设计而被限制在一个小的容积中,便可能引起爆炸。爆炸产生许多高能碎片将会损坏变流器的基本结构,以及周边的器件,还有可能伤及暴露的工作人员”。作者认为,I G BT 爆炸有内因和外因。内因的关键在于模块结构,首先是模块的容积。为了减小体积,模块的容积不可能太大,否则模块的结构优势不复存在。为了在较小的模块容积条件下避免可能产生的爆炸,必须采用充填工艺,充填物质应该具有胶粘性,并且能够吸收故障产生的大量能量。实验表明,如果能释放出15kJ 的能量,就可以避免爆炸发生,即使模块严重损坏,也不至于有大块的金属碎片喷溅出来。据悉,目前国外已经就此采取了措施。外因是重点。导致I G BT 发生爆炸的电气原因必然是严重的过流,按目前I G BT 过流保护技术,稳态过流是可以抑制的,关键是动态的瞬时过流,很难有效保护。其实,抑制动态过流的最简单办法就是在I G BT 回路串联一定的电感,如图5