大容量IGBT可靠性的分析_圖文

1、文章編號: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)達調(diào)速科技有限公司,北京100080;21北京信息工程學院,北京100101摘要:針對大功率I G BT在變頻、斬波調(diào)速應用中實際出現(xiàn)的擊穿、爆炸的現(xiàn)象,從I G BT的結構、定額、過載能力、管芯結構、模塊結構與散熱、驅(qū)動與隔離入手,結合對I G BT的解剖分析,對I G BT進行了可靠性分析。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。關鍵詞:大容量I G BT;可靠性;標稱電流;過載能力;管芯并聯(lián);驅(qū)動隔離中圖分類號:T N32文獻標識碼: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前言功率半導體可控器件,按性能、原理可劃分為晶體管和晶閘管兩大類,其特點為“理想的導通器件是晶閘管,而理想關斷器件是晶體管”1。可見,晶體管和晶閘管各有利弊,

5、這一點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存在的二次擊穿問題。I G BT是將MOSFET(場效應晶體管和GT R集成一體的復合器件,具有驅(qū)動功率小、開關速度快等優(yōu)點,特別是解決了二次擊穿問題,安全工作區(qū)擴寬,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,中、高壓變頻器因I G BT失效而導致的故障占90%以上,而且年故障率較高,例如進口中壓變頻器(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用高,甚至放棄了使用。大功率I G BT的可靠性問題引起了國內(nèi)外相關行業(yè)的關注,人們已經(jīng)認識到,功率晶體管并非期待的那么理想,而晶閘管也不是誤認為的那樣落后。近年來, ABB等公司開始由I G BT轉(zhuǎn)而研究I GCT,后者是一種集成門極換向的晶閘管,目的是至少在大功率領域取代I G BT,以提高器件可靠性。據(jù)資料介紹和作者的初步實踐,I GCT的確在大容量領域較比I G BT有明顯優(yōu)勢,器件的可靠性可以高出I G BT近百個數(shù)量級,但是I GCT在應用中也暴露出一些問題,例如集成門極驅(qū)動電路與晶閘管主電

7、路沒有電磁隔離,價格昂貴。造成大容量I G BT損壞率高的原因究竟是什么?應該怎樣根據(jù)容量等級合理應用I G BT?本文根據(jù)I G2 BT的技術性能和特點,結合多年的生產(chǎn)、科研實踐進行分析和探討,供同行參考。2I G BT的電流定額與選型和晶閘管的標稱電流原則完全不同,I G BT的標稱電流不是以器件長時工作所能通過的電流平均值(或有效值為原則,而是按允許的瞬時最大集電極電流I C M 來標定,I C M 通常以器件的耗散功率和結溫為條件,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 隨導通時間的延長而降低。應該注意

8、,器件周期性工作,截止時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),僅以絕對導通時間為參數(shù),沒有說明工作周期或截止時間,這是值得商榷的。實際應用的I G BT 的電流選擇十分重要,合理的選擇應該依據(jù)器件電流的有效值,顯然和I C M 無法對應。要通過解析法準確計算出I G BT 電流有效值是十分困難的,只有借助經(jīng)驗或圖解法。然而I G BT 的特性各異,安全工作區(qū)也只能定性地說明集電極電流確定的規(guī)律,不可能以此準確定量,這是I G BT 器件應用中普遍遇到的問題。 圖1I G BT 的安全工作區(qū)I G BT 電流定額的上述標定原則,使得應用時必須要根據(jù)電路和器件的安全工作區(qū)對標稱電流

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,或者重要設備應用,還要打折更多,例如直流工作的300A 器件,最多通過100A 電流。這還只是I G BT 器件電流的折算,沒有慮及過流系數(shù),考慮到I G 2BT 的過電流能力遠較晶閘管為差,過流系數(shù)的選擇至少要比晶閘管高出1倍。3電流過載能力實踐證明,半導體器件在靜態(tài)電流下工作的損壞率是很低的,造成電流損壞的多為動態(tài)沖擊電流,由于電路工作條件的隨機性,電流過載總是不可避免的。解決過載損壞器件的有效方法是保護,但

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

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

12、片外部并聯(lián)的方式,理由是單一芯片的各部導電性幾乎是完全對稱的,電流通過時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態(tài)和靜態(tài)特性不可能完全對稱,必然造成不均流現(xiàn)象,或是導通時間不一,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。解剖結果表明,模塊標稱電流為300A 的器件,實際是4只75A 芯片并聯(lián);而標稱為600A 的模塊,內(nèi)部則是8只芯片并聯(lián)。大功率I G B

13、T 應用實踐中反映出來的損壞率高的問題,顯然和器件的多芯并聯(lián)密切相關,除了不均流導致的電流損壞之外,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)的芯片只要由一個電壓擊穿,整個器件就完全失效,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。 (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)溫度基礎之上,如果在管芯

14、溫度沒有響應到穩(wěn)態(tài),均流就無從談起。再者,自均流是不得不采用并聯(lián)時才能夠表現(xiàn)其優(yōu)點,如果能夠不并聯(lián),總要比并聯(lián)的自均流要好。5模塊結構與散熱半導體的模塊結構具有安裝方便、結構緊湊、維修簡單等優(yōu)點,較大功率的I G BT 無一例外地采用模塊封裝形式。然而,模塊結構也存在缺點,散熱性能較差便是其中之一。模塊結構的問題已經(jīng)引起國外普遍重視,器件壓接方式重新得到肯定,文獻3指出:“壓接式通常受歡迎,因為它們具有高熱循環(huán)性能,與模塊相比具有更高的激增電阻,因為組件用正機械壓力壓裝,無焊接引線,從而在浪涌情況下不易汽化”。而且“僅有壓接技術被認為是可靠的組裝技術”。 模塊工藝是將半導體芯片通過絕緣貼附在散

15、熱金屬底板之上,將電極引出,然后進行整體塑料封裝。模塊的封裝工藝導致芯片單極、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;因此模塊結構大多應用在200A 以下的器件,產(chǎn)品大于200A 的模塊器件,應該根據(jù)實際酌情降容使用。溫度是半導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,器件標定的技術性能都將遭到破壞。作者曾參與處理一臺變流設備故障,一只1000A /2000V 隔離用整流二極管在連續(xù)安全運行8個月后發(fā)生損壞,經(jīng)過歷時一月的反復檢查,先后更換8次器件,甚至連周圍電路

16、的所有器件也都更換,但該器件損壞問題始終沒有解決。最后檢查發(fā)現(xiàn),原來是該二極管采用的熱管散熱器,由于質(zhì)量問題,制冷劑泄漏失效,導致二極管在工作一段時間后溫度超標,最終損壞。該案例的困難是,由于熱管散熱器殘存的作用,短時間二極管溫度沒有明顯升高,很容易誤導為電氣故障。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,無法確定電氣故障原因。由此案例可以看出,溫度對于半導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構?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、流的達林頓型多只復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,器件結構也只能選擇為模塊。6I G BT 的驅(qū)動與隔離幾乎所有的功率半導體器件都是工作在開關狀態(tài),如果器件偏離了開關工作狀態(tài),進入高內(nèi)阻的放大區(qū),器件將瞬間過熱而損壞。晶體管和晶閘管的原理不同,晶閘管的內(nèi)部結構等效于圖3(a 中P NP 和NP N 兩只晶體管的連接,正反饋建立了,器件沒有放大區(qū),只要門極驅(qū)動能夠使器件導通;之后,門極就失去了作用,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)動信號不得異常,否則晶體管可能因此進入放大區(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)動隔離是指功率半導體的控制電路和主電路避免電氣聯(lián)系,這對于器件和裝置的可靠性至關重要。如果沒有隔離,高壓大電流的主電路將通過分布參數(shù)對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)動隔離最可靠、經(jīng)濟的辦法是采用無源的隔離變壓器4,這種技術在晶閘管中得到了廣泛的應用,效果極佳。但是對于I G BT 類的晶體管就不能簡單采用,原因是I G BT 的導通依賴于柵極的驅(qū)動,如果

19、導通時間較長,驅(qū)動脈沖必然相應較寬,脈沖變壓器只能傳輸直流分量較小的窄脈沖,無法傳輸直流分量較大的寬脈沖。應該說明,目前廣泛應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題,實質(zhì)上并未徹底隔離。I G BT 在應用中,因隔離和驅(qū)動問題造成的損壞比例是極高的。據(jù)統(tǒng)計,變頻調(diào)速尤其是高壓變頻設備,驅(qū)動引起的I G BT 燒毀大約在30%以上。而根據(jù)有關資料介紹,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,陸續(xù)又有變頻設備的I G BT 爆炸問題接踵而至,I G BT 為什么會產(chǎn)生如此嚴重的故障后果? 圖4爆炸后的I G BT 圖5通過電感抑模塊照片制動態(tài)短路電流上升率對于I G BT 發(fā)生爆炸,國外早有文獻分析和記載,如文獻3認為,I G BT 發(fā)生爆炸歸結為:“現(xiàn)代的I G BT 變流器分布電感較小,沒有對d i /d t 限制的電感。如果失效發(fā)生,設備中的電容所存儲的能量將會被快速釋放。(能量通過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、離子體由于模塊設計而被限制在一個小的容積中,便可能引起爆炸。爆炸產(chǎn)生許多高能碎片將會損壞變流器的基本結構,以及周邊的器件,還有可能傷及暴露的工作人員”。作者認為,I G BT 爆炸有內(nèi)因和外因。內(nèi)因的關鍵在于模塊結構,首先是模塊的容積。為了減小體積,模塊的容積不可能太大,否則模塊的結構優(yōu)勢不復存在。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)應該具有膠粘性,并且能夠吸收故障產(chǎn)生的大量能量。實驗表明,如果能釋放出15kJ 的能量,就可以避免爆炸發(fā)生,即使模塊嚴重損壞,也不至于有大塊的金屬碎片噴濺出來。據(jù)悉,目前國外已經(jīng)就此采取了措施。外因是重點。導致I G BT 發(fā)生爆炸的電氣原因必然是嚴重的過流,按目前I G BT 過流保護技術,穩(wěn)態(tài)過流是可以抑制的,關鍵是動態(tài)的瞬時過流,很難有效保護。其實,抑制動態(tài)過流的最簡單辦法就是在I G BT 回路串聯(lián)一定的電感,如圖5