以IGBT为例来分析器件的失效。IGBT生产厂家一般都对设备组装调试阶段以及市场中退回的失效的IGBT进行器件单元分析，针对导致IGBT失效的原因进行整理分类，下面罗列了部分IGBT的失效原因。

与IGBT使用有关的失效原因

1.过电压

（1）集电极-发射极间u_CE过电压：

1）关断峰值电压。

2）母线电压上升。

3）控制信号异常。

4）外来噪声（雷电浪涌）。

5）测量设备使用错误。

（2）栅极-发射极间u_GE过电压：

1）静电过电压。

2）栅极驱动回路设计不当。

3）栅极发生振荡。

4）电源过电压。

5）外来浪涌电压。

2.过温（包括部分过电流、过负载）

1）散热设计不当。

2）短路（死区时间不足，控制信号误动作等）。

3）过电流。

4）栅极电源电压不足。

5）栅极连接线开路。

6）开关频率异常增加。

7）驱动电路设计不合理，开关速度过低。

8）冷却系统故障。

9）接合部热疲劳。

3.绝缘不良（瓷破裂，内部焊锡熔断）

1）散热器安装异常（应力异常）。

2）电压过高。

与IGBT固有缺陷有关的失效原因：

1.IGBT芯片制造缺陷

1）形状缺陷。

2）表面处理缺陷。

2.模块制造缺陷

1）内部连接线接触不良。

2）绝缘基板-模块底板间接触不良。

3）内部电极焊锡接触不良。

4）导体化不完全。

针对其中几种模式的失效损坏IGBT的例子进行分析。首先来看很容易被人忽视的IGBT器件的热疲劳现象。在此需要区分两种不同的热疲劳形式，一种是功率循环模式，一种是温度循环模式。在变换器中这两者的区别非常明显，如图6-27示意图所示。在功率循环模式中，器件的外壳温度或者其基板的温度变化很小，但是其结温的变化频繁，每次结温的剧烈变化都跟功率的变化密切相关，结温明显变化一次，则对应一次功率循环；而在温度循环模式下，指的是变换器从开始起动到最后停机，器件的壳温经过非常缓慢的变化过程，这样缓慢变化一次，对应一次温度循环。(www.daowen.com)

图6-27 器件热疲劳中的功率循环和温度循环

IGBT模块构造示意图如图6-28所示。IGBT内部使用的连接线一般为铝线，其与所接触的硅片热膨胀系数不同，IGBT开关动作时结温发生变化会产生机械应力。不同的膨胀系统使连接线和硅片的连接处于弯曲应力和剪切应力状态下，这种应力循环积累会使芯片结构变坏最终导致整体破坏。

在变换器中IGBT开关动作时，器件外壳温度比较稳定，此时结温频繁变化导致的功率循环模式失效是变换器设计中必需考虑的因素之一。图6-29是功率循环失效导致连接线和硅片的连接处脱离事例的照片。

在实际应用中，不同应用情况对应的变换器的温度循环情况不同。在一些需要变换器频繁起、停的应用中，功率模块外壳温度有比较稳定的大幅度变化，图6-28中模块绝缘基板和底板的膨胀系数不同导致它们之间的焊锡层发生应力变形。该应力变形累积的结果是焊锡层龟裂，龟裂最终延续到芯片底部的焊锡层，使得该层的热阻抗增加导致热破坏。由于热阻抗增加，结温变化增加，最终导致跟功率循环破坏相同的导线剥离。图6-30给出了温度循环导致绝缘基板和底板间的焊锡层龟裂事例。

图6-28 IGBT模块结构示意图

图6-29 功率循环失效导致接连接线和硅片的连接处脱离事例

图6-30 温度循环导致绝缘基板和底板间的焊锡层龟裂

IGBT能够允许的功率循环次数和温度循环次数，跟其承受的结温和壳温的温度差有密切关系。当结温和壳温的温度差下降，则允许的功率循环次数和温度循环次数明显增加。所以要避免两种模式的热疲劳造成器件失效，就要优化变换器的控制方式，优化变换器的散热冷却系统设计，增加系统的冷却效果，设置相应的过温保护，必要时进行降容使用。

再来看在IGBT失效中非常普遍的过电压失效。当IGBT的集电极-发射极发生过电压时，会在IGBT内部芯片局部产生过高的电场强度，致使芯片损坏。所以，当集电极-发射极发生过电压IGBT失效时，在芯片边缘或者电场强度容易集中增加的地方会首先出现损坏痕迹。图6-31是典型的集电极-发射极发生过电压IGBT失效的图片。

图6-31 典型的集电极-发射极发生过电压致使IGBT失效

而当IGBT的栅极-发射极发生过电压时，会在IGBT氧化层上出现损坏的斑点。由于IGBT栅极的氧化层几乎覆盖整个芯片，所以IGBT栅极过电压产生的损坏斑点的位置不固定。

在变换器中使IGBT的集电极-发射极产生过电压的原因有很多，已在前面的分析中进行了罗列。其中，IGBT关断时的电压尖峰是造成其过电压损坏的主要原因。图6-32中给出了IGBT关断过程电压、电流波形的示意图。其中第一关断电压尖峰跟变换器直流母线母排的结构设计有密切关系，直流母排的等效杂散电感越小，IGBT的第一关断尖峰就越小，该峰值还跟器件中电流的下降速度有关，下降速度越慢，第一关断峰值就越小。而关断过程中的第二峰值的位置和大小一般跟采用的关断吸收电路的形式和参数有关，当然吸收电路的安装位置恰当，降低了直流母排杂散电感的影响，也有利于降低第一峰值。吸收电路的设计和作用在后面的章节有非常详细的分析，在此不赘述。

从IGBT关断峰值电压产生的原因分析，可以得到如下几种防止IGBT过电压损坏的方法：

1）优化变换器的主电路设计，尤其是直流母线层叠母排的设计，增加正负母线之间的电容和互感效应，降低整个电流换流回路的等效杂散电感。

2）适当增加IGBT的栅极驱动电阻R_G，降低器件开关速度，需要注意的是增加R_G会使器件的开关损耗有所增加。

3）使用合理的吸收电路，吸收电路中的低感电容的品质和安装位置非常重要。

同样的，IGBT的栅极-发射极过电压的原因在前面也进行了罗列，其中驱动电路设计不当，对外来浪涌和干扰的抑制作用不够，是造成其过电压的主要原因。一般IGBT栅极-发射极的保证值在±20V，加在IGBT模块栅极的电压超出保证值，就会发生栅极过电压击穿，造成器件的损坏。如果驱动电路设计不当，栅极电压在正常电压（一般为15V）上叠加受外界电路干扰而产生的附加电压，容易发生栅极过电压。此时除了改进驱动电路设计外，往往会在栅极增加稳压管来进行保护。还有一种栅极过电压是发生在栅极开路的情况下，栅极开路而变换器主电路带电时，IGBT栅极开路会产生相应的电压而过电压，此时容易触发其他损坏方式，如桥臂直通过电流等，所以在变换器的安装、测试中一定要避免IGBT栅极开路。

再来看IGBT的过电流失效，过流失效产生的损坏一般都在IGBT芯片与连接线的结合处。当大电流流过IGBT模块，即流经器件端子-内部连接线-芯片-内部连接线-器件端子，在这条通路上，内部连接线和芯片的焊接处最薄弱，容易被大电流产生的热和应力效应破坏。图6-33中给出了典型的IGBT过电流损坏。

图6-32 IGBT关断过程波形示意图

图6-33 典型的IGBT过流损坏

IGBT的过电流失效一般都与发热和温度有关，可以将其列入过温失效模式中。IGBT的过流有如下几种模式：

1）IGBT的擎住效应。IGBT是混合型器件，在其内部寄生了一个4层3结的晶闸管。当IGBT中的电流很大且寄生晶闸管发生擎住导通后，IGBT的栅极失去了控制作用。此时IGBT的集电极电流过大，造成过高的热损耗而导致器件损坏。

2）长时间过电流运行。指的是IGBT运行时其流经的电流长时间超过了所限定的电流安全阈值，这可能是器件特性理解错误产生器件选型错误造成的。

3）短路超时。IGBT允许在非常短时间内承担短路情况，这个时间一般为几μs，短路超时指的是IGBT所承受的电流值达到或者超过其短路情况下所限定的最大值，比如4～5倍的额定电流，造成的器件损坏。当IGBT中电流为短路电流时，此时必须在非常短的时间内（比如10μs）将其关断。

防止IGBT过电流失效有很多措施，包括器件选型、驱动设计和变换器保护系统设计等各方面，下面给出其中的部分措施。

1）在电压型变换器中，对相同桥臂的不能同时导通的IGBT的驱动信号设置互锁电路，并设置足够大的死区时间，当然过大的死区时间会影响变换器的控制性能。

2）合理进行器件选型，保持一定的过电流裕量。此时需要同时考虑IGBT在长时间过电流和短时间短路的情况，还要重视器件运行温度对IGBT各电流参数的影响。

3）合理设计IGBT栅极驱动电阻和电压。驱动电阻的增加有助于降低IGBT的di/dt，驱动电压的改变会影响IGBT的擎住效应。

4）在驱动电路和变换器中采用相应的过电流保护，在IGBT中的电流增加到安全边界前将其关断，避免IGBT过电流失效。