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赵争鸣，白华，张海涛，袁立强，刘建政?
摘要：
?本文从IGBT内部结构及其瞬态能量变化的角度，针对三电平变频器中的IGBT失效现象进行了较深入的分析。并以一台160kW的三电平变频器为具体对象，以试验结果为依据，解释分析了一些典型的IGBT失效机理，并提出了相应的有效解决措施。?
关键词：
?三电平变频器；IGBT开关器件；失效机理?
Abstract:
?This paper analyzes IGBT failure mechanism of three-level inverters from the view of IGBT’s inner stricture and transient electromagnetic energy. In the example of a real 160kW three-level inverter, the typical IGBT failure reasons are explained and the effective solutions for the failure are summarized based on experimental results.
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Keywords: Three-level inverter; IGBT switch device; Failure mechanism?
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一、 概述
??? 三电平变频器由于它的谐波分量少，构成的多电平电压波形所需开关器件少，拓扑结构简单以及PWM调制相对容易，近年来在大容量高压变频器以及低压高性能变频器中得到广泛应用【1－3】。然而由于三电平变频器的特殊结构，其中开关器件失效现象发生颇多，使得其应用受到影响。本文结合实例，集中讨论箝位二极管型三电平变频器中IGBT失效机理以及保护措施。

二、 三电平变频器的结构特点
??? 一个典型的箝位二极管型三电平变频器拓扑结构如图1所示。采用空间矢量PWM（SVPWM）开关调制方法，其中开关器件IGBT所处的运行条件与同条件（输入电压、开关频率、容量大小相同）下的IGBT相比，主要有如下几个特点：

??? 1、 同一工作时间内，三电平变频器中的IGBT开关次数与两电平的不一样；

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??? 2、 三电平中采用二极管箝位结构，具有直流母排中点电压平衡问题，使得三电平中的IGBT有可能实际承受电压不一样；

??? 3、 三电平的SVPWM中，开关矢量组合余度大，开关顺序不尽相同；

??? 4、 三电平中的每个IGBT的通态和阻态时间与两电平的不一样；

??? 5、 三电平中的最小脉宽和死区设置时间与两电平不同；

??? 6、 三电平增加箝位二极管后，变流回路不同，箝位二极管作为重要器件，IGBT所处的回路参数不同。

??? 由于上述差别，三电平变频器中的IGBT失效的可能性更大，失效机理更复杂。
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图1? 典型三电平变频器拓扑结构如图（略）

三、 IGBT结构、原理及其参数意义
?? 要讨论三电平变频器中的IGBT失效机理，必须了解IGBT的结构、原理及等效电路。

??? 1、IGBT的结构
??? 典型的IGBT结构剖面图如图2所示【6】，可从两方面来理解：一方面可认为是在一个晶体管（如PNP结构）结构的基础上加一个栅极MOS结构。如图2中的IMOS流向所示；另一方面可理解为在MOSFET的基础加一层衬底P＋，增强少子注入效果，减小导通压降，形成晶体管结构，如图2中的IBJT流向所示。
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图2? 典型的IGBT结构解剖图（略）

??? 2、 工作原理
??? 由于IGBT结构上的特殊性，决定了它的工作原理。一方面它完全象MOSFET一样，当栅极G上加一适当电压后，在P-体区中产生一个N型反型沟道，产生MOS开通电流IMOS；另一方面，IMOS又相当于晶体管PNP的基极电流，使得放大系数α→1，从而使晶体管导通，产生晶体管开通电流IBJT，IGBT导通。当栅极电压Vg去掉后，MOSFET沟道消失，IMOS→0，则α→0，从而使得晶体管关闭，IGBT关闭。因此，IGBT是一个同时具有双极性和单极性结构混合型器件。

??? 3、 开关特性
??? 由于IGBT的工作原理决定了它的开关特性，概括为以下几点：

? （1） 由于IGBT具有晶体管特征，为双极性器件，具有少子注入效应，可以改变PN结的电阻，从而具有电导调制效应，即开通后电流愈大，电阻愈小，不满足欧姆定律；

? （2） 由于IGBT又有MOSFET特性，为单极性器件特点，满足欧姆定律，通态时，电压大，则电流大；

? （3） 一般IGBT是由许多IGBT单元并联而成，由于IGBT双极性的电导调制效应，当IGBT打开时，di/dt大。若只有部分IGBT单元开通，则大电流集中在开通的IGBT单元中，电流密度骤增，称之为“束流效应”；

?（4） IGBT中产生了一个晶闸管，当它起主导作用时，α、dv/dt及漏电流发生变化，都可能使 ，从而产生“闭锁效应”。其中α1和α2分别为IGBT中两个晶体管的放大系数。

4、 典型IGBT内部等效电路
?综合上述IGBT内部结构，工作原理及基本性能，可导出NPT型IGBT等效电路图[4]如图3所示，

图3?? NPT型IGBT内部等效电路（略）
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其中CGE——栅极—发射极间电容，与VGE有关，与VCE无关
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?????? CCE——集电极—发射极间电容，主要是N-与P井区之间的结电容，与单元表面积，漏源击穿电压和漏源极电压有关
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?????? CqC——栅极与集电极间电容，栅极和N-漂移区之间的重叠而产生
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?????? RG——栅极内阻，即为多晶硅栅极上的电阻
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????? RD——漂移区N-的电阻，亦为PNP管的基极电阻
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?????? RW——P井区横向电阻，为寄生NPNP双极性晶体管的基极与发射极之间的电阻
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??? 典型IGBT等效电路揭示了IGBT内部的电磁变化规律，有助于采用电路分析方法来分析IGBT失效机理。

四、 IGBT典型失效现象及分析
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??? 1、温度上升对IGBT参数的影响
??? 温度上升包含两个意思：一是IGBT中的电磁场能量转化为热能，主要由于器件中的电阻热效应；一是器件发热与外部冷却之间的相互作用，发生的热量如果不能及时散发出去，即散发能力不够，则使温度上升。

???? 温度上升，IGBT中的两个晶体管的放大系数α1和α2均增大，该两个晶体管构成一个寄生晶闸管。借助于IGBT等效电路图（图3），开通过程为：当给栅极加压Vg，产生Ig，则MOSFET开通，产生I1，I1为PNP的基极电流，开通PNP，产生I2，I2为NPN提供基极电流，产生I3，使整个IGBT全面开通。I1、I2和I3构成IGBT开通后的全部电流，其中I2为主要部分。当温度上升，α1和α2上升，使α1＋α2→1，将使寄生晶闸管出现“闭锁效应”，而使IGBT一直导通，即使Vg去掉，I1=0,由于该闭锁效应，PNPN导通，开关失效。因此，温度上升， 增加，使得重复开断的通态电流下降。图4为SKM600GB126D 型IGBT的通态电流IC随温度变化的曲线【5】。从图中可以看到，随温度升高，电流下降，且在800C之后，电流下降非常迅速。

图4 IGBT（SKM600GB126D）温度－电流曲线（略）

??? 在一台实际的160kW三电平变频器中，温升试验中发生的IGBT失效现象说明该问题：该变频器所选的IGBT型号为SKM600GB126D，工频下重复可关断电流为600A。该变频器起动后，带满载运行，额定电流为315A。起动稳定后的50分钟运行一切正常，随着运行时间的增加，IGBT壳温从300C上升到1200C，装置发生过流保护。分析其原因：当IGBT壳温达到1200C以后，最大重复可关断电流值发生变化（约为250A），驱动开关发生失效，直流母排中点电压平衡破坏，造成直通过流，器件保护。一般解决该问题的主要措施有：

???? （1）减小器件的发热，选择适当的IGBT参数；

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???? （2）加强散热，主要从冷却结构和方式中寻找最优结构和方式；

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???? （3）降低开关频率，在开关频率为1k以上，开关损耗超过总损耗的一半；

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???? （4）缩短开通和关断时间，也是为了减小开关损耗，但要注意，di/dt和 dv/dt的升高，引起另外的器件失效机理；

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???? （5）降低谐波分量。谐波分量不转化为有功，但增加器件内部电阻损耗。

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??? 2、输入电压升高，开关器件保护，PWM脉冲失效，中点电压平衡破坏
??? 仍以上面的160kW、380V低压三电平变频器为例，其调制采用SVPWM方法，开环VVVF控制，驱动一台160kW的异步电机。当输入电压为300V以下时，起动运行都没有问题，中点电压平衡很好。但输入电压升至350V或者380V时，则电机起动不起来，IGBT发生保护，中点电压偏离，严重时烧坏器件。

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??? 事实上，当起动电机时，电机速度为零。电机反电势为零，其等效电路图如图5所示。其中R为回路电阻，L1为回路漏电感，Lr为电机电枢电感（可变，与电机反电势相对应），V为电源。Lr为零，而R与L1很小，此时回路电流基本为短路电流，数值很大，且该数值取决于电源电压。输入电源电压越高，则短路电流越大。该大电流使得di/dt、dv/dt均增大，直至超过IGBT的承受值，使得IGBT保护，驱动脉冲失效，打破了中点平衡开关序列规律，而使中点电压发生偏离。从能量的角度来看，此时输出的机械能受阻，输入电磁能在变频器内部吸收，尤其在IGBT内部转化，轻则使得器件保护，重则器件烧坏。此时电磁能与机械能转化不合理，电流中的有功和无功分量不合理。

图5? 变频调速系统等效电路图（略）

??? 有效的解决方法主要包括：

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?? （1）增加有效预励磁，减小起动电流，提高启动转矩，使电流有功分量和无功分量分配合理；

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?? （2）设定低频启动，延长起动时间，使得di/dt和dv/dt降低；

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?? （3）减小v/f补偿值，适当减小占空比，起动力矩也随之有效减小；

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?? （4）在母排上加一起动限流器，以减小di/dt，正常运行时再切除掉。

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3、驱动功率不够，PWM脉冲失效，中点平衡破坏
??? 当驱动电压脉冲Vg没有足够的值，或者即使达到了阈值，但持续的时间太短，其波形如图6所示，导致IGBT不能有效的打开，而使IGBT开关顺序破坏,致使中点电压偏离，最后导致器件过压保护，严重时器件击穿。
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?? 分析其原因主要有三：

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? （1）驱动电源本身能力不够，驱动电压和尖峰电流都达不到要求，或者其中之一达不到要求，导致驱动电压、电荷不到位；

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?（2）驱动回路延时过大（电阻或电容过大），使驱动电压上升太慢，所需时间大于最小脉宽时间，导致IGBT远没有完全打开就执行关断指令，IGBT没有实现开通；

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?（2）驱动电源质量不好，电压本身有波动，或者受外部dv/dt和di/dt的干扰，导致驱动电压本身变化，而使驱动脉冲失效；

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?（3）驱动输出与IGBT门极连线过长，且没有屏蔽，导致电磁干扰在该传输线上破坏驱动脉冲，致使驱动失效。

图6? 驱动脉冲序列（略）

??? 驱动是一种功率放大的过程，驱动信号将信号流与能量流有机结合。驱动本身亦是一种能量转换过程，一方面驱动本身有一个能量是否足够的问题，另一方面有一个转换时间的问题，同时本身的能源是否可靠也是问题。IGBT是一个驱动MOS场控型器件，控制的关键是沟道反型。开通时要求适当快，沟道足够宽，关断时亦要适当快、关闭严。对于IGBT，关断时电压Vg可到负值，以便深度关断，同时起抗干扰作用。另外，IGBT的导通电阻受栅压调制，可用于IGBT的过电流保护。如测试到一定的过流信号，立刻把驱动电压Vg减小一半，使得IGBT通态电阻增大，抑制电流；当过流消失后，再恢复栅极电压正常值，若持续过大电流，则采取相应保护动作。主要解决措施有：

?? （1）加强驱动功率，实施强驱动，以加快导通区的横向扩大速率和增加初始导通区的面积，前沿要陡，以满足最大驱动电流要求；

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?? （2）选择适当的驱动回路的电阻Rs和电容Cs，使其时间常数适中，延时不大于最小脉宽时间，同时又不能太快，以致dv/dt过大；

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?? （3）保证驱动电源的质量，稳压稳流，减小电磁干扰影响；

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?? （4）利用IGBT的正导作用，有效实施调节Vg的二次导通功能，以达到主动保护效果。

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4、di/dt与dv/dt过大导致器件失效
??? 160kW三电平变频器中，IGBT开通时和通态时，发现有时di/dt毛刺很大，达到1000A/us，引起IGBT过压而保护，PWM失效，中点电压偏离，变频器不能工作，严重时烧坏管子，另外在关断时发现有时dv/dt毛刺大，引起IGBT误导通。该变频器的di/dt和dv/dt典型试验波形如图7(a)和(b)所示。

图7?? di/dt和dv/dt试验波形（略）

??? di/dt过大，意味着集电极电流上升很快，它将引起束流效应，即在IGBT中产生实际的局部电流密度过高而发热，致使局部热损坏。dv/dt与结电容CJ构成移位电流，相当于器件的触发信号，引起α增大，在一定条件下产生误触发，致使IGBT失效。di/dt和dv/dt过大本质上都是能量变化太快，如果引导不好，则产生能量过于集中而产生破坏。L和C在电路中都起一个储存能量和缓冲变化的作用，各种缓冲吸收及软开关电路，均为对LC在电路回路中的合理应用。如果回路中L太小，则电流变化快，IGBT导通面积来不及扩展，产生束流效应，致使局部过热损坏；如果回路中C太小，则电压变化快有可能产生浪涌电流而击穿器件。有效的改善di/dt和dv/dt过大的有效措施包括：

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?? （1）选择适当的开关频率，使di/dt和dv/dt限制在器件的承受范围内；

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?? （2）尽可能选取耐di/dt和dv/dt髙的开关器件；

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?? （3）采取强、尖脉冲触发，前沿一定要陡，使初始导通面积尽可能大；

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?? （4）大容量使用中，采用限流饱和电抗器和维持脉冲相结合的办法来降低di/dt；

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?? （5）外加并联电容，以吸收器件内的移位电流，减小dv/dt；

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?? （6）外加RCD电路，以同时降低di/dt和dv/dt；

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?? （7）增大驱动电路上的时间常数，减少开通和关断时间，降低di/dt和dv/dt；

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? （8）小容量变频器上可在IGBT集电极套磁环，以减小di/dt。

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5、IGBT并联带来的问题
??? 为了提高功率开关器件的载流能力，将IGBT并联使用是有效的。160kW的三电平变频器中采用2个管子并联的方式，但共用一个驱动回路。由于单个模块的IGBT特性不完全一致，IGBT并联电流差别，有可能使并联器件产生均流难的问题。如图8所示[4]，在同样的VCE下，两个管子通过电流产生差别ΔI电流的不同导致IGBT的结温不同，引起器件中的参数变化不同，最后可能导致一个管子先过流，而烧坏器件。

图8? IGBT并联后的电流差异（略）

??? IGBT并联使用中，其饱和电压的温度系数TS起主要作用。如果TS为正，即饱和压降、开通电阻随温度一起上升，则电流将转移到较少电流的IGBT，从而使并联的IGBT中的电流相趋一致。一般来讲，NPT型的IGBT在额定电流范围内电阻系数为正，而PT型的IGBT为负，所以NPT型IGBT适合并联。

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??? 另外，并联的IGBT中，如果转移特性ic=f（VGF，Tj）不同，换流回路中的电压不同，以及开关延时时间不同，都有可能产生IGBT不均流的问题。解决的措施有：

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?? （1）选择NPT型的IGBT作并联用；

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?? （2）采用同一驱动电路来驱动并联的IGBT，同时加电阻来阻止产生振荡的作用，弥补转移特性的不同；

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?? （3）并联电路中的所有功率和驱动电路都应该保持最小回路电感以及严格对称分布；

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?? （4）并联模块应互相靠近安装在同一散热片上，以获得最优化的热耦合；

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?? （5）实施15－20％的降额使用。

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五、结论
?? 电力电子装置是实现电磁能量变换和传送的装置，其核心部件是开关器件。目前相当一部分开关器件采用的是IGBT。IGBT在开通和关断过程中，实现电磁能量的变换和传输。由于电磁能量不能突变，则电磁能量变换和传输有一个过渡过程。在该过渡过程中，除了传输出去的能量之外，IGBT器件内部的电磁能量变换有两种形态：一种是有功变换，即一部分电磁能量转化为热能，另一部分能量则表现为无功变换，即在器件内部进行变换，或器件内外部之间进行交换。前一部分能量转化导致器件温度上升，影响器件参数，后一部分能量交换则引起器件的瞬态电压、电流变化，即di/dt和dv/dt较大。由于器件本身的物理特性对电压、电流的变化承受程度有限，则导致器件损坏的可能性增大。

?? 三电平变频器中一个突出特点是中点电压平衡问题。不管什么原因使得IGBT保护和驱动失效，都将引起中点电压不平衡，从而导致更严重的过压和过流，损坏器件。因此，对三电平变换器更应精确设计和制作，以防器件失效。