IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的结构中,将PNP型的晶体管和NPN型的晶体管串联,形成一种四层结PNPN的器件,其中NP结和PN结之间有绝缘层隔离,且引出控制信号的极及控制信号共用同一插针,所以IGBT也被称为绝缘栅双极晶体管,其主要特点包括高速开关、低饱和压降、可逆阻止电压和大电流承受能力等。但是,在使用IGBT过程中,如果晶体管结构失效,则会出现击穿现象,造成器件损坏。结构失效主要有以下几方面原因:
①PNP结区发生击穿。若某些原因,PNP结中的电子速率超过了局部剧烈加速的阈值,则电子在碰撞的过程中加速到足以导致硅键断裂的高速度,从而击穿PNP结区。
②PNPN结两端引出引脚或引线与芯片金属电极之间的绝缘破裂。当PNPN结中一侧的PN结正向偏置,另一侧的PN结反向偏置(实际上是根据设定的工作点对正向、反向电压施加,进行开关操作),若绝缘击穿而接通,电流将直接流到PNPN结两端,进而形成过电流损坏。
在IGBT的使用中,由于电流和电压的作用,器件内部会产生大量热量,而IGBT的稳定性和可靠性受到温度的影响比较大,达到一定温度会引起击穿。主要原因包括:
①温度反馈失效。由于IGBT自身的结构和特性,一旦IGBT加热过程中温度过高,就会引起器件的损耗和失控,如果温度反馈对温度的监测失效,则会导致温度升高不被及时发现和控制。
②散热不良。IGBT的工作过程中会发生大量的热量,如果散热条件不良,则会引起温度升高。散热不良可能会由于电源线、集成电路外壳,接触不良或是使用低品质的散热器导致。
过流和过压也是IGBT经常遇到的问题之一,如果IGBT承受电流或电压过大,就会导致击穿。造成过流和过压的主要原因如下:
①外部电源频率或离子撞击故障引起的过电压。此种现象一般在电力系统中较为常见。当系统电源频率变化时,IGBT可能会由于外部电源频率或离子撞击故障等原因,受到过电压冲击,导致击穿。
②过大的电流峰值和操作区域。在某些特定的操作区域和工作条件下,电流峰值超过了器件所能承受的范围,就会产生过流的情况,此时电流密度足以导致硅键断裂,导致击穿。
电磁干扰现象一般在电力系统中较为常见,主要包括两个方面:
①由于信号线布局、接地、干扰源等原因,信号传输时会产生电磁噪声,这会干扰IGBT的正常工作,使其击穿。
②由于IGBT工作时需要进行开关操作,所以其电流变化很快,而电流变化易产生变化磁场,从而产生电磁干扰,因此,当IGBT面临电流的瞬间改变时,需要考虑电磁干扰现象的影响。