IGCT自其诞生就是高压大电流器件，额定电流在几百安培至几千安培。这种大电流的电力半导体器件的失效与小功率器件的失效机理有着根本的不同。两种器件硅片尺寸上的差异是导致其失效机理不同的主要原因。小功率器件的硅片尺寸小，一般只有几毫米，物理特性均匀。尺寸小的元件其图形也容易做得更精确，但是如今最大的电力半导体器件的硅片直径超过100毫米，对于这样大的面积很难使特性均匀，况且所用的扩散工艺，也无法做出结深完全一致的PN结，结果导致结的某一部分电流密度偏大。另外，大功率的电力半导体的电场强度远比小容量器件的高，这使其额定参数较高。在浪涌条件下，器件电压、电流和功率容量甚至会超过几千伏、几万安和10～20MVA，在这样的条件下需要考虑电动力的存在，它们的作用对大功率电力半导体器件失效过程的影响是不可忽视的。

IGCT真正投入到工业应用中的时间还不是很长，制造IGCT的厂家也很少。所以这里仅仅给出了IGCT失效的部分原因，而没有对它们进行非常细致的分类。

IGCT的部分失效原因：

1）阳极过电压，由母线电压上升、关断峰值电压过大、浪涌影响等因素引起。

2）系统接地不当，造成器件承受过高的共模电压。

3）开通di/dt过大。

4）过温，由散热设计不当、过电流、开关频率不当等因素引起。

5）通态和阻态持续时间短，最小通态/阻态脉宽限制不足。

6）驱动电源电压过电压或者欠电压。

7）驱动电源绝缘不够。

8）安装压力不足、过大或者不均衡。

9）由瓷破裂等因素造成的器件绝缘不良。

10）IGCT特有的换流故障。

这些器件失效原因中，部分是电力半导体器件失效的通用原因，比如过温失效、过电压失效等；而部分原因在4层3结器件中体现得比较明显，如开通di/dt过大造成器件失效；安装压力不当是压装器件中比较常见的失效原因；而IGCT特有的换流故障失效几乎是IGCT这种器件所特有的失效原因。

首先看IGCT的过电压失效。与使用IGBT的变换器设计一样，不当的直流母线设计或者不当的吸收电路设计都会是IGCT关断时产生过高的第一或者第二峰值，造成器件过电压损坏失效。值得注意的是，安装在同一变换器中的同一型号、同一批次、流经相同电流的IGCT，会因为所在拓扑和机械位置的不同而形成不同的关断电压波形，图6-34给出同一变换器中的两只IGCT关断实验结果。

图6-34 同一变换器中两只IGCT的关断波形

同样地，IGCT关断第一峰值跟直流母线机械结构设计有密切关系，第二峰值跟吸收电路参数有密切关系。以4500V的IGCT为例，当某一个峰值大大超过了4500V，就会产生过电压损坏，一般会在IGCT的芯片上电场较集中的地方首先产生损坏，比如芯片的边缘，多个并联阴极条的中心部分。在电压型变换器使用过程中，IGCT承受的直流母线电压一般为2800V，此时在115℃的结温下，其失效率约为100FIT。随着直流母线电压的升高和温度的升高，失效率都会增加。在基于IGCT的多电平变换器中，如果各电平的均压没有做好，也会造成IGCT的过电压失效。如三电平变换器中直流母线中点电压产生较大的偏移，表现为部分IGCT承受的直流母线电压过高，极端情况下，单个IGCT会承受全部的母线电压而造成过电压失效。

再来分析开通di/dt过大致使器件失效。实际上开通di/dt过大造成器件失效在4层3结器件中有比较明显的体现，如晶闸管、GTO和IGCT等，不过GTO和IGCT相比于晶闸管，采用多单元并联的芯片结构，有助于电流的均匀分布，使它们具有不同的di/dt耐量。

这类器件的di/dt耐量是指在规定条件下，器件能承受无害影响的最大通态电流上升率。影响这类器件的di/dt耐量的主要因素有初始导通面积、开通时间、扩展速度、工作频率和管芯热阻等。当器件加上触发信号后，断态到通态有一个电流扩展过程。在晶闸管中最初只有很小一部分紧靠门极的阴极区域开通，随后初始导通区以0.1mm/μs速度扩展到整个阴极面。若初始导通面积过小，电流上升率又太大，则电流密度过高，致使该区域的结温急剧上升，造成器件烧毁。而对于GTO和IGCT来说，只不过是将扩展到整个阴极面积的过程，细化成为扩展到所有阴极单元的过程。

这类器件的所能承受的di/dt耐量除了与初始导通区面积的大小和扩展速度有关外，还与导通区的热容量有关。由于硅的比热小，热容量也小，且导热率低。因此，在电流增加阶段，电流所产生的大部分热量聚集在导通区，只有很少的热量能够传出去，使得导通区的温度迅速上升。当温度达到某一临界值，热载流子已超过了注入的载流子，继而导致热反馈，电流越大，温度越高，导通区的体电阻越低。此时，该区将有更大的电流流过，这样温度就会进一步升高。如此循环，在短时间内电流将集中在这个温度最高的某点上，形成“热斑”，使器件不能正常工作，甚至烧毁。在一些实际应用中，因开通的di/dt故障造成的破坏温度范围超过了1000℃。该温度远远超过了金属-半导体接触的熔点，从而使器件在极短的时间内烧毁。

在晶闸管中，开通di/dt过大会在芯片上门极的边缘附件产生“热斑”，示意图如图6-35所示；在GTO器件中，一般会在阴极条的边缘（也是门极的边缘）产生“热斑”，示意图如图6-36所示，而在逆导型IGCT中，除了在阴极条的边缘，还有可能在反并联二极管上产生损坏。

图6-35 晶闸管上di/dt过大损坏

在IGCT的应用中，为了防止因开通di/dt过高而损坏，一般采用开通吸收电路，其示意图如图6-37所示，其中电感L的作用就是限制IGCT开通的过程中换流回路中的di/dt值。有资料表明，IGCT中GCT部分的di/dt耐量大于其反并联二极管的di/dt耐量，IGCT变换器中使用的di/dt吸收电路主要是为其反并联二极管服务，即限制二极管反向恢复过程的di/dt，具体分析将在后面章节的吸收电路设计中给出。

图6-36 GTO中的di/dt过大损坏

图6-37 典型的IGCT变换器电路

IGCT的过电流损坏也可以分成长时间过电流、短路超时等几种不同情况。通常IGCT可承受的短时间浪涌电流的数值要远远高于其可重复关断电流。举例来说，对于4500V/630A的IGCT，其可重复关断的最大电流为630A，但是在1ms内可承受的不重复浪涌电流为9000A。IGCT的可重复关断的最大电流受到变换器的直流母线电压、器件温度、关断峰值电压和关断损耗等多方面的限制。而IGCT可流过的浪涌电流主要受到I²t数值限制，也就是器件的温度限制。一般的过电流会在IGCT的芯片上产生烧伤斑点，而长时间的大过电流会在IGCT的芯片上产生较大烧伤斑点，一般还伴有大的电动力产生的机械应力变化造成的损伤，如桥臂直通造成的过电流情况。为了避免IGCT器件过电流，一般要正确设置变换器的控制参数，比如死区时间等，并采用相应的过电流保护措施。

因为IGCT击穿或者其他损坏后一般表现为短路特性，所以当发生这些器件失效后，如果控制不及时仍按照变换器原有控制进行，则会伴随发生同桥臂IGCT的直通短路过电流失效或者其他桥臂IGCT的过电流失效。例如，在一个基于IGCT的变换器故障中，两只型号为5SDF03D4502、容量为4.5kV/630A的IGCT失效后的硅片如图6-38所示。其中晶胞边缘处白色部位为并联二极管，硅片上的各斑点为损坏痕迹。在此两片硅片上混合了几种失效症状，下面分别对其进行分析。

1）损伤发生在阴极条中心附近。如图6-39所示，失效原因为过高的关断能量，该关断能量跟IGCT关断前流经的电流、关断后的稳态电压、换流回路杂散参数以及器件结温密切相关。

2）局部热点大面积烧伤。如图6-40所示，失效原因为长时间过电流，当变换器中IGCT发生失效变成短路状态，引发两个“互锁”IGCT同时导通对直流母线构成“直通”，导致出现该种损伤。

3）硅片出现断裂。一般在安装和解除器件压装压力过程中，会出现硅片中应力不均匀而造成硅片断裂。

图6-38 一次故障两个失效后的IGCT硅片示意图(www.daowen.com)

图6-39 损伤发生在阴极条中心附近

图6-40 局部热点大面积烧伤

通过IGCT失效分析，参照其所在的电路拓扑位置和机械位置，以及相关的实验数据记录，可以对变换器的故障进行较准确的分析，判断不同失效发生的前后顺序，找到真正故障的起源，并采取相应的改进措施。

最后再来分析一下IGCT特有的换流故障。在分析特有换流故障之前，重新认识一下IGCT器件的构造，IGCT的核心部分GCT的结构示意图如图6-41所示，前面的章节分析已经给出，在该结构中为了优化器件的控制性能和导通能力，门极和阴极之间的PN结的反向阻断能力很弱，其反向击穿电压一般小于20V，同时在阳极使用了透明阳极技术，从门极到阳极可以看作寄生一个PIN二极管D_pa。基于上述两点，该GCT的阴极到阳极是不具备阻断带电压能力的，即非对称的GCT。一般的，在GCT器件上反并联二极管形成了逆导型IGCT。

考察基于IGCT的电压型变换器的一个桥臂，如图6-42所示，为表述清楚，将GCT部分和其反并联二极管进行了单独表示，S_P和D_P为桥臂上端的GCT和反并联二极管，S_N和D_N为桥臂下端的GCT和反并联二极管。

图6-41 GCT的寄生PIN二极管

图6-42 基于IGCT的电压型 变换器桥臂示意图

当桥臂处于死区时间内，即S_P和S_N的控制信号都为关断状态，且桥臂输出的电流方向为正，即流出桥臂时，该电流可以认为通过下端的二极管D_N在续流。若S_P和S_N为理想器件，在此时刻S_P和S_N中的一个发生开通时的换流为

1）若理想开关S_N开通，则对桥臂的电流没有影响，电流仍然通过D_N在续流；

2）若理想开关S_P开通，则流经D_N的电流向S_P换流，流经S_P的电流逐渐增加，D_N中的电流减小至关断，并存在反向恢复过程，反向过程造成了S_P流经的电流峰值大于桥臂输出电流。

不幸的是，器件S_P和S_N不是理想器件，而是具有如图6-41所示结构的混合型器件。所以在此时刻S_N开通的示意图如图6-43所示，为分析清楚，将寄生PIN二极管D_pa进行了单独绘制。

图6-43 当S_N开通时的示意图

此时，使GCT开通的电源通过寄生二极管D_pa和正在续流流通的二极管D_N构成了回路，形成了如图6-43b所示的大电流，该电流对于GCT部分来说是反向电流，对于寄生二极管D_pa来说是正向电流。

而另外一种，即在桥臂进入死区状态时关断器件S_N则形成了图6-44所示的电路。此时加在GCT门极上的反向20V电源通过续流流通的二极管D_N，导通状态的GCT部分构成回路，也会造成较大的电流。

图6-44 当S_N关断时的示意图

可以认为反并联二极管对GCT的关断电源短路形成较大的环流，该环路处于IGCT的内部，不受变换器中的di/dt吸收电路限制，机械结构非常紧凑，等效电感值较小，环流较大。环流会随着GCT的关断而消失。

如果GCT的门极驱动设计不当，无法承担这两种情况下的大电流，则会造成失效损坏。

更严重的失效发生在这样的情况下：当桥臂进入死区状态时关断器件S_N，反并联二极管对GCT的关断电源短路形成较大的环流，该环流还没有被S_N关断但死区时间已经结束时，开通了桥臂的上端器件S_P，则出现了如图6-45所示的情况，此时发生了桥臂直通现象，即直流母线通过di/dt吸收电路被S_P和S_N短路，GCT中的电流会持续增加，造成过电流失效损坏，同时对于二极管D_N来说也有可能发生失效损坏。

图6-45 特定状态发生了桥臂直通

可以看出上述这些IGCT特有换流故障具有以下一些特点：

1）门极驱动需要承担较大的附加电流。

2）所产生的换流在器件外部无法进行测量。

3）发生在一些特定的时序和逻辑组合情况下。

分析IGCT特有的换流故障发生的过程不难发现，IGCT中各器件的混合方式使GCT的各结不同时发生作用，而与芯片以外的器件之间发生相互作用。这与以往的其他器件不同，其他器件中各结几乎都是同步的参与到器件的各个行为中。IGCT的特有构造形成了其特有的换流故障。为了避免上述的IGCT特有换流故障，应采用如下一些措施：

1）增加器件S_P和S_N控制上的死区时间，保证器件S_N中的环流完成了恢复并消失后，再开通S_P，则可以避免桥臂直通现象。

2）增加器件S_N的通态最小宽度的限制，只有当S_N开通过程中的门极电流稳定后，才能对器件S_N做关断动作。

3）增加桥臂中di/dt吸收电路作用，降低桥臂换流时的di/dt和du/dt，因为在换流过程中二极管的反向恢复特性跟换流的di/dt和du/dt相关，降低桥臂换流时的di/dt和du/dt可以避免二极管的反向恢复特性较差而造成的器件失效。

实际上，在IGCT应用到变换器中，与变换器中的其他器件发生相互作用时，仍存在一些特定情况下发生的失效故障，这些故障的分析跟变换器的拓扑、控制和机械结构密切相关，在后面的章节中将进一步分析。