【機(jī)車上IGBT發(fā)熱引起的故障現(xiàn)象和故障分析5900字（論文）】

機(jī)車上IGBT發(fā)熱引起的故障現(xiàn)象和故障分析目錄TOC\o"1-2"\h\u23318第1章IGBT模塊傳熱機(jī)理分析 1265081.1IGBT簡(jiǎn)介 2157231.2IGBT模塊熱傳導(dǎo)分析 2303321.3IGBT在電力機(jī)車中的應(yīng)用 321995第二章IGBT的發(fā)熱原因和現(xiàn)象 5101492.1機(jī)車IGBT發(fā)熱原因分析 5293332.2機(jī)車IGBT發(fā)熱時(shí)可能發(fā)生的現(xiàn)象 624798第三章IGBT發(fā)熱故障分析與處理 7149523.1GBT工作原理(N溝道和P溝道) 7193383.2IGBT故障分析 7240903.3IGBT的失效 8140723.4機(jī)車上IGBT發(fā)熱處理方法 84962第四章機(jī)車IGBT發(fā)熱導(dǎo)致的后果與防范措施 916133第五章結(jié)束語(yǔ) 1222439參考文獻(xiàn)： 13第1章IGBT模塊傳熱機(jī)理分析IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型電力電子器件"，它把MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，一經(jīng)發(fā)明就在電力電子領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在軌道交通領(lǐng)域尤其是交流電力機(jī)車上，IGBT作為軌道交通領(lǐng)域大功率轉(zhuǎn)換電路的關(guān)鍵器件，它常常工作在開關(guān)狀態(tài)，關(guān)斷和導(dǎo)通大電流、大電壓，本身會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，加之在電力機(jī)車.上經(jīng)常遇到各種工作狀況使IGBT產(chǎn)生的熱量劇增或無法及時(shí)散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致IGBT性能下降甚至燒損，嚴(yán)重影響行車安全。目前廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的IGBT是機(jī)車主變流裝置的核心功率器件，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)車輛的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。IGBT芯片的結(jié)溫直接影響到IGBT承載電流的能力，IGBT結(jié)溫一方面決定于自身的功率損耗，另一方面受外部散熱方式和冷卻條件的影響。了解和分析IGBT過熱導(dǎo)致的故障，可以預(yù)防此類事故的發(fā)生。當(dāng)前，因發(fā)熱而造成器件的失效占整體的55%以.上，所謂器件的熱失效歸根結(jié)底就是器件在運(yùn)行過程中由于熱堆積使其溫度達(dá)到極限值的非安全區(qū)間，從而導(dǎo)致器件發(fā)生永久性損傷，所以研究IGBT模塊內(nèi)部熱傳導(dǎo)過程及散熱有著十分重要的意義。IGBT模塊的整個(gè)傳熱過程包含了導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種熱量傳遞方式。1.1IGBT簡(jiǎn)介IGBT按照封裝設(shè)計(jì)理念分為標(biāo)準(zhǔn)模塊、壓接模塊和智能功率模塊(IPM)三種:標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊是按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)代焊接技術(shù)，也叫焊接式IGBT,結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用電氣連接技術(shù)以及引線鍵合技術(shù)，如以芯片焊接、超聲焊接、錫焊、真空焊接等為主導(dǎo)的互連工藝;而壓接式封裝結(jié)構(gòu)，類似于大功率二極管或晶閘管的設(shè)計(jì)理論，采用陶瓷封裝為標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是壓接封裝的頂部和底部同時(shí)也是器件的電源端子和冷卻表面，優(yōu)點(diǎn)是方便串并聯(lián);IPM的功能結(jié)構(gòu)中，除了標(biāo)準(zhǔn)的IGBT驅(qū)動(dòng)外，集成了控制、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，如半橋或全橋模塊、驅(qū)動(dòng)電路、過流測(cè)量與保護(hù)、溫度測(cè)量電路、供電電壓檢測(cè)等，目前還沒有被業(yè)界廣泛接受的IPM標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)車上用IGBT為高壓大功率模塊，一般采用焊接式封裝，因此本文只針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)焊接式IGBT模塊進(jìn)行討論和研究。1.2IGBT模塊熱傳導(dǎo)分析IGBT模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由組成功率電路的IGBT芯片和FED續(xù)流二極管與導(dǎo)熱材料組成，其中，導(dǎo)熱材料分別由IGBT下焊料層、DBC層(包括上銅層、陶瓷基板和下銅層)、DBC"下焊料層和銅底板組成。IGBT芯片與FWD續(xù)流二極管是功率器件IGBT模塊的主要熱源，同時(shí)也是整個(gè)器件的核心，整個(gè)器件可靠運(yùn)行的前提是IGBT芯片的溫度必須低于極限安全結(jié)溫，而IGBT模塊散熱性能的好壞直接影響著模塊的結(jié)溫。如圖1-1所示為IGBT模塊的封裝結(jié)構(gòu)示意圖，芯片所產(chǎn)生的熱量通過焊錫層、DBC層和銅底板向外界導(dǎo)熱。出于安全性的考慮，IGBT模塊都會(huì)被封裝起來，從模塊的結(jié)構(gòu)上來看模塊內(nèi)部的散熱通道只有通過導(dǎo)熱材料焊錫層、DBC和銅底板向下垂直散熱，并通過散熱器最終將熱量疏散到外界。圖1-1IGBT模塊的封裝結(jié)構(gòu)示意圖IGBT模塊內(nèi)部的每層導(dǎo)熱材料都是緊密焊接在一起的，因此模塊內(nèi)部的傳熱會(huì)依照熱傳導(dǎo)的方式將熱量從IGBT芯片逐步傳導(dǎo)至模塊銅底板。而根據(jù)傳熱學(xué)中導(dǎo)熱的定義，影響物體熱傳導(dǎo)的主要因素是溫差、導(dǎo)熱系數(shù)及導(dǎo)熱物體的厚度和截面積，它的傳導(dǎo)方式是層層傳遞。從微觀學(xué)的角度來說，能量的傳遞是靠粒子間的接觸來進(jìn)行傳導(dǎo)的。熱傳導(dǎo)過程中，當(dāng)兩個(gè)能量不同的粒子相互接觸時(shí)，由熱傳遞理論可知所帶能量高的粒子會(huì)將能量傳遞給與之接觸的能量低的粒子，最終達(dá)到熱平衡。1.3IGBT在電力機(jī)車中的應(yīng)用IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供.晶體管基極電流使IGBT導(dǎo)通，反之若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷比較而言,IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET,卻明顯高于GTR;IGBT的通態(tài)壓降同GTR相近，但比MOSFET低得多;IGBT的電流、電壓等級(jí)與GTR接近，而比MOSFET高，其開關(guān)損耗比兩者都低得多。而且IGBT正向著高耐壓、高頻率、大電流、低飽和壓降、高可靠、低成本的方向發(fā)展。IGBT的四象限整流和逆變，對(duì)牽引和制動(dòng)實(shí)行連續(xù)控制，具有低噪聲，省電力等優(yōu)點(diǎn)。整流器單元使用了模塊形IGBT元件，整流方式為二電平電壓型PWM方式，通過高速開關(guān)元件的使用以及對(duì)各組CI控制載波的相位差控制,來降低高次諧波、提高功率因數(shù)。逆變器單元同整流器單元一樣，使用了同樣的IGBT元件、謀求單元的標(biāo)準(zhǔn)化。通過高速IGBT和32b/s高速演算控制裝置的配合進(jìn)行高速矢量控制,提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)速度、實(shí)現(xiàn)了高黏著控制和高速的空轉(zhuǎn)慣性補(bǔ)償控制。機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，逆變器工作在整流狀態(tài)，四象限整流器工作在逆變狀態(tài)，并通過中間支流回路向主變壓器牽引繞組饋電,將再生能源回饋到接觸網(wǎng)。第二章IGBT的發(fā)熱原因和現(xiàn)象2.1機(jī)車IGBT發(fā)熱原因分析IGBT是由BJT和MOSFET組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，又稱絕緣柵雙極型晶體管。其中的GTR:低導(dǎo)通壓降、載流密度大、驅(qū)動(dòng)電流大。MOSFET:驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，導(dǎo)通壓降大、載流密度小。機(jī)車IGBT屬于大功率半導(dǎo)體器件，在變流工作狀態(tài)下主導(dǎo)能量轉(zhuǎn)換，容易發(fā)生失效，而大功率工作狀態(tài)下，大電流、高電壓會(huì)使IGBT嚴(yán)重?fù)p壞，產(chǎn)生發(fā)熱，嚴(yán)重引發(fā)爆炸。2.1.1機(jī)車IGBT工作環(huán)境IGBT工作在大電流，高電壓工作狀態(tài)由于IGBT驅(qū)動(dòng)電流小，飽和壓降低，故而適用于直流電壓600V以上的變流系統(tǒng)。機(jī)車運(yùn)行過程中，需要大功率運(yùn)行條件，而在大功率運(yùn)行狀態(tài)下，往往是IGBT產(chǎn)生發(fā)熱、燒毀的原因。2.1.2機(jī)車IGBT關(guān)斷失效引起的不可控發(fā)熱機(jī)車運(yùn)行高電壓狀態(tài)時(shí)，由于IGBT本身耐受電壓較低，故使用IGBT串聯(lián)提高耐壓值，IGBT的導(dǎo)通方法是在門極加載一個(gè)正向電壓，IGBT的關(guān)斷是在門極加載一個(gè)負(fù)向電壓”。但是在IGBT串聯(lián)的情況下，不能控制每一一個(gè)IGBT的導(dǎo)通或關(guān)斷信號(hào)，這樣會(huì)導(dǎo)致每個(gè)IGBT集電極、發(fā)射極電壓不一致，但是它們都處于串聯(lián)狀態(tài)，電流一致，此時(shí)在大功率環(huán)境下，有的個(gè)體IGBT過電壓就會(huì)相當(dāng)高，而個(gè)體IGBT耐電壓低，此時(shí)IGBT就會(huì)發(fā)熱。2.1.3機(jī)車IGBT反向恢復(fù)失效引起的不可控發(fā)熱原因在FRD反向恢復(fù)過程中由于反向峰值電壓過高會(huì)對(duì)IGBT造成損傷，在次數(shù)的堆積下，IGBT損傷嚴(yán)重，在高功率的情況下引起發(fā)熱，或者反向恢復(fù)過程中電流突然截止，此時(shí)di/dt極大，容易引發(fā)FRD失效，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)熱。2.1.4機(jī)車IGBT內(nèi)損耗引起的可控發(fā)熱原因在機(jī)車運(yùn)行過程中，由于工作在大功率條件下,IGBT模塊在變流器中會(huì)產(chǎn)生功率損耗，長(zhǎng)久運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致溫度.上升，其溫度高低與自身散熱、內(nèi)損耗大小、IGBT芯片電阻大小有著一定聯(lián)系”。當(dāng)升溫與散熱相同時(shí)，IGBT達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這是可控型發(fā)熱。但當(dāng)IGBT的di/dt極大時(shí)，模板會(huì)被擊穿，超過IGBT結(jié)溫，導(dǎo)致不可控發(fā)熱。2.2機(jī)車IGBT發(fā)熱時(shí)可能發(fā)生的現(xiàn)象機(jī)車運(yùn)行過程中，處于大功率環(huán)境下，在IGBT可控發(fā)熱下，可能會(huì)導(dǎo)致IGBT自身模塊受損，可能會(huì)導(dǎo)致散熱模受損，可能會(huì)影響到機(jī)車的運(yùn)行速度，極大地減少IGBT自身的壽命。在IGBT不可控發(fā)熱下，IGBT自身溫度迅速升高，可能會(huì)傳遞溫度導(dǎo)致周圍器件發(fā)熱，在散熱不充分的情況下，以及驅(qū)動(dòng)電阻過小情況下，可能會(huì)直接導(dǎo)致IGBT模塊及其周邊模塊的燒毀，機(jī)車運(yùn)行可能會(huì)終.止。第三章IGBT發(fā)熱故障分析與處理3.1GBT工作原理(N溝道和P溝道)IGBT由MOS結(jié)構(gòu)和B]T結(jié)構(gòu)兩部分組成，如圖1所示。圖1IGBT芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)IGBT開通時(shí)，BJT結(jié)構(gòu)的基區(qū)與發(fā)射區(qū)的PN結(jié)J1正偏，空穴通過漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)入基區(qū)，這些進(jìn)入基區(qū)的空穴被稱為過剩少子。為了維持基區(qū)的電中性，其中--部分空穴與MOS導(dǎo)電溝道電流Imos提供的過剩多子電子發(fā)生復(fù)合;另一部分在耗盡層電場(chǎng)的作用下，進(jìn)入J2的空穴被掃入集電區(qū)形成集電極電流。MOS溝道電流Imos提供的過剩多子電子的--部分通過漂移和擴(kuò)散運(yùn)行進(jìn)入發(fā)射區(qū)，另一部分與過剩少子空穴發(fā)生復(fù)合形成BJT的基極電流，也就是說IGBT的導(dǎo)通電流IC等于BJT的集電極電流與基極電流之和。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，MOS導(dǎo)電溝道電流Imos消失，基極電流由基區(qū)剩下的---部分過剩多子電子與注入的過剩少子空穴復(fù)合產(chǎn)生，這將導(dǎo)致IGBT的導(dǎo)通電流瞬間減少，而另一部分過剩多子注入發(fā)射區(qū)。為了維持基區(qū)的電中性,注入到基區(qū)的一部分過剩少子空穴與過剩多子發(fā)生復(fù)合,另一部分進(jìn)入集電區(qū)間。3.2IGBT故障分析由以上IGBT工作原理可知，IGBT發(fā)生故障的原因主要有:過電流損壞;過電壓損壞和靜電損壞;過熱損壞”。3.3IGBT的失效IGBT的失效問題如果以失效因素來分，可分３大類：第１類是內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷和制造工藝帶來的潛在失效；第２類就是各種外部應(yīng)力對(duì)其造成的失效，如電應(yīng)力（表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺）、熱應(yīng)力、靜電、輻射、濕度等；第３類是電路其他環(huán)境對(duì)其造成的影響，例如驅(qū)動(dòng)電路、吸收電路、回路寄生電感、寄生電容等。這些環(huán)節(jié)設(shè)置不好，將加速器件的失效。3.4機(jī)車上IGBT發(fā)熱處理方法通過對(duì)以_上IGBT的工作原理和故障進(jìn)行的分析。在機(jī)車.上當(dāng)IGBT出現(xiàn)故障時(shí)，司機(jī)所要進(jìn)行的步驟就是在不影響機(jī)車正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，切斷與這個(gè)IGBT相連的所有線路。如果這個(gè)IGBT所在的線路影響了機(jī)車的正常運(yùn)行，就需要向車站呼叫請(qǐng)求救援，來保障機(jī)車以及機(jī)車所攜帶的人員或物資的安全。.第四章機(jī)車IGBT發(fā)熱導(dǎo)致的后果與防范措施4.1機(jī)車IGBT發(fā)熱導(dǎo)致的后果IGBT過熱可能導(dǎo)致焊點(diǎn)融化、IGBT失效、IGBT燒損，影響IGBT的使用壽命危害到整機(jī)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重.時(shí)可能引發(fā)火災(zāi)爆炸等事故。由于機(jī)車.上常把IGBT作為主電路和輔助電路中的轉(zhuǎn)換電路的關(guān)鍵器件，用于電能的整流和逆變。當(dāng)IGBT因過熱損壞或失效的時(shí)候，直接導(dǎo)致整流和逆變電路無法正常工作，機(jī)車無法正常運(yùn)行，引發(fā)電路的短路等。其產(chǎn)生過電流過電壓，可以導(dǎo)致機(jī)車.上的其他電力器件損壞，嚴(yán)重時(shí)可以牽引電機(jī)燒壞電機(jī)。而發(fā)生IGBT爆炸事故就是較嚴(yán)重的事故了，特別是在IGBT處于密閉空間或周圍有易燃易爆的液體時(shí)可能引發(fā)機(jī)車起火爆炸。在2017年8月1日濟(jì)南西機(jī)務(wù)段HXD3型0811機(jī)車在運(yùn)行途中發(fā)生型微機(jī)屏在運(yùn)行途中顯示CI4再生失效，CI4逆變故障，CI4二次過電流。機(jī)車回段后拆解發(fā)現(xiàn)，CI4逆變側(cè)IGBT炸裂，并在CI電路板表面聚集較多灰塵。此次事件并沒有造成人員傷亡，經(jīng)調(diào)查，判斷炸裂原因?yàn)镮GBT未及時(shí)保養(yǎng)清理，模塊周圍散熱環(huán)境惡化，使IGBT局部過熱從而使IGBT內(nèi)的金屬氣化在其內(nèi)部形成巨大的壓力，而外殼不能承受這樣壓力，進(jìn)而爆炸。經(jīng)查閱相關(guān)資料，電力機(jī)車IGBT故障中爆炸占比非常大，其中絕大多數(shù)都是由于電路短路等形成過電壓、過電流使IGBT過熱引發(fā)的。4.2防范措施防止IGBT過熱而引發(fā)事故，主要措施有三大類。一是添加散熱設(shè)備增加監(jiān)控設(shè)備，防止IGBT過熱，或當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)發(fā)出警報(bào),并采取相應(yīng)的防范措施。1二是優(yōu)化IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少IGBT的自身發(fā)熱，增強(qiáng)IGBT的可靠性耐熱性，提高IGBT模塊熱穩(wěn)定性和模塊本身的耐熱能力。三是在IGBT上采用新型材料增加其自身的導(dǎo)熱性，使IGBT產(chǎn)生的熱量能更好的傳遞出來，防止IGBT局部過熱導(dǎo)致IGBT故障。目前我國(guó)機(jī)車IGBT散熱方式主要采用第一種方式，添加散熱設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備。4.2.1添加散熱設(shè)備給機(jī)車IGBT散熱在機(jī)車IGBT外部添加散熱設(shè)備是目前運(yùn)用最廣泛、技術(shù)最成熟的解決方案。目前技術(shù)條件下，機(jī)車IGBT散熱方式主要有3種:肋片散熱、熱管散熱和液冷散熱，其中肋片散熱和熱管散熱主要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方法，而液冷散熱主要采用液體(水與乙二醇的混合物)循環(huán)系統(tǒng)冷卻。他們的原理都基本相同，通過空氣、液體等介質(zhì)的流動(dòng)，把IGBT的熱量傳遞出來從而保證IGBT的穩(wěn)定。并且此種方式可以對(duì)散熱設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)從而滿足不同的環(huán)境，在機(jī)車的功率不斷增加的情況下，機(jī)車的IGBT承受的電流、電壓也在不斷的增加，其產(chǎn)生的熱量也在不斷增加，之前的散熱已無法滿足現(xiàn)在的要求嚴(yán)重影響了GDP的穩(wěn)定性和可靠性?？梢愿鶕?jù)其使用條件、功率大小、空間等因素進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，改善優(yōu)化散熱設(shè)備的性能結(jié)構(gòu)以滿足其特殊要求。4.2..2其他散熱方法其他的散熱方法由于其研發(fā)難度大，性能無法得到保證等因素在軌道交通方面無法得到廣泛應(yīng)用。但在其他領(lǐng)域經(jīng)常采用這些方式給IGBT散熱，比如在小型電力設(shè)備，受其空間大小、功率大小等限制無法采用或沒必要采用散熱設(shè)備進(jìn)行散熱，常常在IGBT上采用新型材料新結(jié)構(gòu)增加IGBT的自身導(dǎo)熱性和耐熱性，利用自身的導(dǎo)熱性能把自身熱量傳遞在空氣中散發(fā)。4.3防止機(jī)車IGBT失效的技術(shù)措施IGBT的過流保護(hù)采用了瞬態(tài)鉗位保護(hù)和軟件保護(hù)兩種。當(dāng)硬開關(guān)故障（簡(jiǎn)稱ＨＳＦ）和負(fù)載短路故障（簡(jiǎn)稱ＦＵＬ）發(fā)生后，IGBT處于短路狀態(tài)，以及密勒電容的影響，會(huì)產(chǎn)生很高的ｄｉ／ｄｔ，以至于使其進(jìn)入擎住區(qū)，失控?fù)p壞。機(jī)車IGBT模塊的門極驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)具有瞬態(tài)鉗位保護(hù)的功能，當(dāng)短路故障發(fā)生后，Ｕｃｅ壓降升高，致使連接在Ｃ、Ｅ上的檢測(cè)二極管退飽和，進(jìn)而封鎖門極驅(qū)動(dòng)動(dòng)作并反饋給控制單元報(bào)告錯(cuò)誤，同時(shí)由軟件控制封鎖所有的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并報(bào)警，讓IGBT在進(jìn)入擎住區(qū)前就自動(dòng)關(guān)閉。該種保護(hù)響應(yīng)速度快，并具有可以發(fā)出反饋信號(hào)等特點(diǎn)。但是瞬間的高電壓沖擊是無法避免的，尤其回路中存在寄生電感而所使用的IGBT模塊中并沒有加入ＲＣ保護(hù)電路的情況下，會(huì)造成ＰＮ結(jié)不可恢復(fù)的損傷，因此要積極避免發(fā)生過電壓故障。而在應(yīng)用過程中，機(jī)車的ＰＧ（速度傳感器）信號(hào)采集不準(zhǔn)確，會(huì)引起控制單元采集的轉(zhuǎn)速信息不正確，進(jìn)而引發(fā)對(duì)四象限整流器和逆變器的失調(diào)和超調(diào)，使中間直流電壓超過３２００Ｖ的保護(hù)值，或者對(duì)負(fù)載的扭矩調(diào)整不正確，以及各種強(qiáng)磁干擾信號(hào)等都會(huì)誘發(fā)過電壓故障。因此，機(jī)車定修時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查速度傳感器無異常，連線無損壞，插頭連接