IGBT驱动电路设计论文

2022-04-15

IGBT驱动电路设计论文篇1：

大功率IGBT击穿故障分析及驱动保护电路设计

摘要：该文通过对IGBT组成的H桥在大功率高速开关条件下进行大量实验，列举了IGBT发生击穿故障的多种原因，结合IGBT器件的结构分析其击穿过程及击穿表现，并通过计算提出了一种输出波形稳定的IGBT驱动电路以及相应的保护电路。

关键词：击穿驱动保护

目前，大功率电源技术的发展向着小型、高频方向迈进，其功率开关部分多采用IGBT来实现，但是由于功率的增大、开关频率的增高及设备体积的减小，使得IGBT发生击穿甚至炸管的故障率显著增加，该文通过使IGBT工作在500 V/10 KHz条件下进行的各项试验，对不同原因导致的击穿现象进行分析总结，论述了不同情况下击穿的根本原因及表现形式，提出了一种IGBT驱动保护电路，经实际验证，此电路运行稳定，保护动作快速有效。

IGBT是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有载流密度大，开关速率快，驱动功率小而饱和压降低的优点。非常适合应用于直流电压为600 V及以上的大功率逆变系统，在工业领域有着广泛的应用。

1 击穿原因分析

由于该器件经常应用于大功率及开关速率快的场合，因此发生击穿甚至炸管的几率非常高，究其根本击穿原因有以下三点：过压击穿、过流击穿、过温击穿。

1.1 过压击穿

引起过压击穿的原因有很多，比如负载、线路、元器件的分布电感的存在，导致IGBT在由导通状态关断时，电流Ic突然变小，将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压Uce=L×dic/dt，此电压若大于IGBT的耐压值，则会击穿IGBT；另外，静电、负载变化、电网的波动、驱动电路失效开路以及外部电磁干扰都可能引起电压击穿。

过压击穿分为两个步骤：（1）IGBT的雪崩击穿；（2）IGBT短路。

第一步：雪崩击穿，当IGBT的栅极电压为零或负时，处于正向阻断状态，此时若IGBT承受外部阻断电压较高，耗尽层的电场强度随电压升高而升高，就会在耗尽层产生大量的电子和空穴，当电场强度超过临界值时，外部阻断电压会使中性区边界漂移进来的载流子加速获得很高的动能，这些高能载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞时使之电离，产生新的电子-空穴对。新生的电子-空穴对立即被强电场分开并沿相反方向加速，进而获得足够动能使另外的点阵原子电离，产生更多的电子-空穴对，载流子在空间电荷区倍增下去，反向电流迅速增大，发生雪崩击穿，直至PN 结损坏。这个使得PN 结电场增强到临界值的外部电压称为IGBT的雪崩击穿电压。

第二步：IGBT短路，IGBT的雪崩击穿是一个可逆过程，不会立即导致IGBT损坏，此过程如果通过增加吸收回路等方法使过压时间控制在10个电压脉冲周期以内，IGBT不会表现为不可逆的击穿状态，但如果吸收回路没能在短时间内吸收浪涌电压，那么IGBT则会表现为集电极发射极短路状态（静电击穿门级表现为门级发射极短路），此状态不可逆。

1.2 过流击穿

导致IGBT过流击穿的原因多为负载短路、负载对地短路，此外，由于驱动电路故障、外界干扰等造成的逆变桥桥臂不正确导通也是过流击穿的一大原因。

IGBT有一定抗过电流能力，但时间要控制在10 us以内。IGBT 内部有一个寄生晶闸管，所以有擎住效应。在规定的发射极电流范围内，NPN 的正偏压不足以使其导通，当发射极电流大到一定程度时，这个正偏压会使NPN 晶体管开通，进而使NPN 和PNP 晶体管处于饱和状态，导致寄生晶闸管开通，此时门极会失去控制作用，便发生了擎住效应，IGBT 发生擎住效应后，发射极电流过大造成了过高的功耗，最后导致器件的损坏。过流击穿多表现为可见性炸管。

1.3 过温击穿

IGBT的最大工作温度一般为175 ℃，但实际应用中结温的最高温度要控制在150 ℃以下，一般最好不要超过130 ℃，否则高温会引起外部器件热疲劳以及IGBT稳定性变差，经过实际验证IGBT长时间工作在40 ℃左右为宜。

发生过温击穿的主要原因为散热设计不完善，电路设计原因为死区时间设置过短、控制信号受干扰导致的逆变桥臂瞬时短路、负载阻抗不匹配、驱动电压不足、IGBT器件选型错误导致的和设计开关频率不匹配等。

过温失效主要表现在以下几个方面：栅门槛电压VGE增大；CE动态压降VCE增大；动态导通时间增大，关断时间减小；开关损耗增大。

2 驱动保护电路设计

2.1 驱动电路设计思路

以K40T120（1200 V/40 A）型IGBT为例进行驱动电路设计：

2.1.1 确定门级电电容及驱动电压：用Cin=5 Ciss进行计算，根据手册可查Ciss=2360 pF，则Cin=2360×5=11.8 nF，

根据Q＝∫idt＝Cin×ΔU计算驱动电压ΔU经查此IGBT门级电容Q=192 nC，ΔU=Q/Cin=16.3 V，因此最小驱动电压为16.3 V。

2.1.2 确定门级正偏压以及负偏压：正偏压Vge越高，器件的导通损耗就越小，但是，Vge不允许超过+20 V，原因是一旦发生过流或短路，Vge越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。负偏压的应用是为了在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止，一般选为5～15 V为宜。综合最小驱动电压16.3 V，由器件Vgate/Ic曲线选定正偏压+11 V、负偏压-9 V为最终驱动电压。

另外，驱动电路还应有门极电压限幅功能，以防外界干扰及器件损坏等造成的门级过驱动击穿IGBT。

2.1.3 确定驱动电流及驱动电阻：一般来讲，IGBT器件的耐压耐流越大，IGBT的门极和集电极间的等效电容越大，所需的电流越大，此外开关频率越大，所需门级电流越大。

K40T120的门级电流为200 mA，以20 V驱动电压计算，其最小驱动电阻为20 V/200 MA=10 K，选择10 K作为驱动电阻。

由器件的Rg/Td（on）Td（off）曲线结合所需开关频率确定门级电阻为40 Ω。

此外，IGBT驱动电路需要设计隔离电路（可采用光耦隔离或变压器隔离），防止IGBT击穿时损坏驱动电路或者中控电路，设计的思路是尽可能的简单实用，要有抗干扰能力，输出阻抗越低越好。

2.2 IGBT驱动电路

由于电路中分布电感和分布电容对IGBT高速开关状态会有很大的影响，所以采用分级设计，前后级用双绞线进行连接。

图1所示为K40T120的前级驱动电路：由光耦进行隔离，信号由光耦输入，20 V电压输入经整形变为+11/-9 V的驱动波形由G/E输出。

图中电容的作用是使输出波形更平稳，稳压管1N4739（9.1 V稳压管）的目的是提供负偏压，可根据实际情况进行改变。

图2所示为IGBT后级驱动部分，以H桥单桥臂为例实际应用中可在电源母线加装π型滤波器、增加电容组的容量以抑制浪涌电压，P6KE16CA为双向瞬态电压抑制器件，防止门级电压过高引起器件损毁。

2.3 IGBT的保护

IGBT的过压保护主要采用减少电路分布电感、增加吸收缓冲回路、增大门级电阻等方法来实现，此部分电路加装在驱动电路部分。

IGBT的过温保护主要采用散热片加风冷的方式实现，并参考实际应用参数（工作电流及环境温度）进行设计，在此不再赘述。

IGBT过流保护电路：

IGBT具有一定的过流能力，但是过流时间不可超过10 us，要求过流保护电路要有高精度、快速反应等优点，因此采用电源母线采样、高速比较器进行电流比较，一旦超过设定电流立刻关断驱动波形，保护IGBT。

图3所示保护电路，高速比较器采用LM211，电感L串入母线回路，由330 Ω电阻进行采样并经分压输入2脚，3脚的基准电压有电源电压分压得到，调整20K电阻调节保护灵敏度，CD4013的输出端可根据实际需要接入波形发生电路或经光耦隔离接入驱动电路。

此保护电路在500 V/20 A的逆变电路中应用，IGBT击穿率下降到7%左右，有实际的应用价值。

3 结语

IGBT器件由于其工作在大电压、大电流的状态下，因此，发生击穿甚至炸管的故障较多，但是，只要按照器件手册及相关计算公式计算驱动电压、电流，选定稳定可靠的驱动电路，合理设计电路板结构，增加相应的保护措施，IGBT完全可以稳定可靠地工作。

参考文献

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作者：张广智王琳琳赵伟华张伟光李全熙

IGBT驱动电路设计论文篇2：

功率半导体IGBT失效分析与可靠性研究

摘？要：高端变频空调在实际应用中出现大量外机不工作，经过大量失效主板分析确认是主动式PFC电路中IGBT击穿失效，本文结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析，分析结果表明：经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种原因导致，IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析论证后从IGBT本身及电路设计方面全部提升IGBT工作可靠性。

关键词：主动式PFC升压电路；IGBT；SOA；闩锁效应；ESD；热击穿失效

0 引言

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面优点。IGBT综合了以上两种器件的优点，耐高压、驱动功率小而饱和压降低、开关速度快、开关损耗小，非常适合应用于直流电压为600 V及以上的变流系统，如交流电机、开关电源、照明电路、牵引传动。目前IGBT是绿色经济领域里的核心技术之一，规范应用于在航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。IGBT作为自动控制和功率变换的关键核心部件，是必不可少的功率“核芯”。采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率，提升用电质量，实现30%～40%的节能效果。即使对传统设备进行IGBT技术改造，平均节电率仍可提升20%。此外，IGBT还是实现能源转换的关键元件，光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都要借助IGBT产品将电能输送到电网中[1-4]。

1 分析与生效机理研究

1.1 失效器件无损检测分析

1.1.1 X - ray透射分析

失效IGBT表面无损伤，万用表测试1、2、3脚互相短路，X光透射内部IGBT芯片金线焊接等无异常，片芯表面有烧毁点（图1），分析内部过电损伤导致失效。

1.1.2 开封解析

对主板失效IGBT进行开封解析，内部片芯表面有击穿烧痕迹，IGBT失效均为有源区（active area）受到高能量损坏，分析主要为过电击穿失效，如表1所示。

1.1.3 IGBT结构描述

绝缘栅双极性晶体管IGBT等效电路如图2所示。

1.1.4 失效IGBT应用电路

如图3，红框部分为PFC电路整流滤波部分，C401电容具有滤波和抑制EMI作用，PFC主电路部分由PFC电感L3、IGBT及快恢复二極管D901组成。当IGBT闭合时电感L3充能，IGBT断开时电感L3释放电能。IGBT应用电路结构图如图3所示。

2 失效原因及失效机理分析

经过对失效IGBT器件ESD能力检测、极限参数测试分析（极限耐压、SOA安全工作区、开关损耗、）、应用环境、驱动电路设计、整机工作波形分析、热设计分析发现其存在众多不足，总结归纳如下。

1）IGBT栅极ESD水平低，经过对IGBT栅极ESD水平测试，ST IGBT栅极ESD水平平均在3 400 V，最低只有2 900 V，生产过程易出现静电放电损伤IGBT。ST IGBT与Renesas、Farichild（编者注：2016年被安森美收购）静电能力测试对比结果如表2。

2）IGBT超出绝对最大值发生过电压事件（RBSOA安全工作区）、闩锁效应导致IGBT失效问题，经过分析与厂家测试有关，厂家测试标准较为宽松，对于离散在边缘位置的一部分物料没有有效筛选剔除，在过负荷环境，在电源质量差环境易出现IGBT闩锁效应导致击穿炸失效，厂家在片芯测试环节没有实施片芯闩锁效应测试筛选。

3）IGBT应用电路设计存在缺陷，在特殊条件下检测有负压存在，在PFC电路中若IGBT两端存在负压没有二极管续流会损伤IGBT，导致击穿失效。

4）IGBT栅极耐压测试发现IGBT及2个厂家驱动芯片存在差异，东芝IGBT栅极极限耐压在25～27 V，ST IGBT栅极极限耐压在24 V，TC4427驱动芯片极限耐压23 V，IR4427驱动芯片极限耐压25～27 V。TC4427 IGBT驱动芯片耐压偏低，低于实际应用24 V稳压二极管工作电压，当栅极电压存在突变波动时，过压冲击将TC4427芯片击穿，导致24 V稳压二极管实际上没有工作电压。稳压二极管选型不合理，需降低稳压二极管耐压水平。TC4427 IGBT驱动芯片极限耐压水平在22 V，测试数据如表3。

IGBT驱动电路稳压管选型为24 V，在TC4427的引脚Vout上会出现瞬态大电压，在空调机组关闭的瞬间，实际检测IGBT驱动波形发现最大脉冲电压约为24 V，比TC4427规格书中的最大值22 V高出2 V，脉冲电压超过最大值，器件的可靠性或使用寿命可能受影响。稳压管值24 V是基于保护IR4427选择的，无法有效保护TC4427。需要改变稳压管值到22 V下，增大稳压管功率，从而有效保护TC4427免受过压冲击损坏。

IGBT栅极极限耐压测试如图5～图6，可见①G-E击穿电压：ST比东芝明显偏低。②E-G击穿电压：ST比东芝明显偏低。

TC4427芯片极限电压测试，TC4427芯片VCC测试首次出现击穿拐点在18～19 V，随着施加电压增加击穿电压增大，总体测试芯片击穿电压大致范围在21～23 V之间。

5）模块散热效率差，散热器使用金属拉丝，表面粗糙度大（0.15 mm），影响模块散热效率，散热器拉丝工艺外貌如图7，需要降低粗糙度。更改散热器铣削工艺。部分IGBT失效，通过分析为过流烧坏，进一步分析为功率器件散热不良失效，对应IGBT螺钉锁紧无异常。通过对故障件上匹配的散热器粗糙度进行检查，确认部分使用金属拉丝工艺散热器表面粗糙度较差，容易导致IGBT工作过程中局部地区散热效果不佳，温度积聚升高，过热烧毁。

6）IGBT铜板与散热器电气间隙不合格导致烧毁问题，经过分析是硅胶片尺寸设计不合理，员工装配存在差异，在硅胶片贴偏情况下，IGBT铜板与散热器电气出现间隙不合格击穿烧毁IGBT。IGBT引脚与散热器凸台有一定间隙，硅胶片未能完全覆盖，IGBT引脚与散热器凸台电气间隙过小，也存在过电打火隐患。IGBT打火失效如图8所示，需要增加硅胶片尺寸，保证有效电气间隙。

3 IGBT工作可靠性提升方案

1）提升IGBT栅极ESD水平，由之前3 400 V提升至8 000 V。基本杜绝生产过程ESD损伤IGBT导致失效问题。ST新品ESD水平测试测试数据如表4，AB两个厂家IGBT栅极ESD测试对比数据如图9所示。

2）实施汽车级PPAT筛选测试标准，增加100%片芯闩锁效应测试，厂家在片芯测试（增加PPAT测试筛选VTH、BVCES、VCESAT参数）环节实施片芯闩锁效应测试筛选。PPAT测试能够消除任何可能离群值或锁存弱点如图10所示，把离散的有质量可靠性问题物料全部剔除。

3）IGBT内部增加5 A/600 V续流二极管，用于防止IGBT可能出现的负压，解决IGBT反向负压导致IGBT失效问题，提高IGBT在复杂环境工作的可靠性。

4）IGBT栅极驱动稳压二极管重新选型，将工作电压由24 V改为20 V。

调整前段稳压二极管稳压值，保证工作冗余量。TC4427芯片极限工作电压大于22 V，实际测试平均工作极限耐压值23 V，IGBT驱动电路使用稳压二极管为24 V，不能有效驱动IGBT保护电路，驱动芯片失效，导致IGBT击穿失效。测试TC4427芯片（IGBT驱动芯片）各个批次的极限工作电压大于22 V（符合规格书），普遍小于24 V，分析将线路设计中的24 V稳压二极管变更成20 V后，可以更好保护电路中的驱动芯片和IGBT，如图11所示。

5）驱动芯片改为IR4427芯片，该芯片栅极耐压相对较高，TC4427耐压在22～23 V，IR4427极限耐压在25～27 V。

6）提升散热效率，改变散热器加工工艺，由金属拉丝工艺改为铣削工艺，提高散热器装配面的粗糙度，由0.15 mm降低0.05 mm，IGBT散热效率大幅度提升。IGBT整体温升降低5 ℃。

7）硅胶片尺寸加长，更改硅胶片尺寸，杜绝硅胶片尺寸过小造成的IGBT与散热器接触打火烧毁。比之前加长8 mm，能更好包裹住IGBT本体底部及IGBT引脚，防止硅胶片与散热器接触出现漏电，以及电气间隙不足导致的打火异常。

8）选取低热阻的硅胶片，提高IGBT散热效率，经过对新物料IGBT温升及散热效率测试，可以降低温升5 ℃左右。降低IGBT热击穿失效概率，提高IGBT工作可靠性。

4 整改总结及意义

本文结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析的结果表明：经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种原因导致，IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析论证后，从IGBT本身及电路设计方面提升IGBT工作可靠性。

參考文献：

[1] 王瑞.大功率IGBT栅极驱动电路的研究[J].电气自动化， 2014（3）：115-117.

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作者：黎长源项永金王少辉