摘 要：本文通过对已损坏的西门子IGBT的研究，详细的分析了西门子IGBT损坏的原因，有IGBT制造过程中工艺问题，也有外围驱动设计不严密的问题。
西门子公司数控系统各挡CNC 中都使用SimoDrive611 变频系统。SimoDrive611 是西门子各档数控系统中最重要的组成部分，而饲服功率模块和电源模块是SimoDrive611 中的重要部分，但它故障率高、容易损坏，可靠性不如系统中其他部分好。
本文主要针对西门子功率模块失效损坏进行分析。我们通过对6SN1123-1AA00-0CA1 单轴50A、6SN1123-1AA00-0DA1 单轴80A、6SN1123-1AA00-0EA1 单轴160A 以及6SN1145-1BA0-0BA0 16/21KW 电源模块失效进行分析。它们共同之处是都使用大功率IGBT 作为输出，而且IGBT 的驱动电路也基本相同。
随着电力电子的快速发展，饲服功率输出部分广泛采用IGBT 晶体管取代GTR 等。因为IGBT 驱动电路相对简单，几乎可以用TTL 逻辑电路直接驱动，这是它的优点；而它的缺点也很明显，那就是IGBT 晶体管存在所谓擎住效应，正常使用不存在此效应，但使用不当，一旦因过流触发此效应，IGBT 晶体管便为常通，根本不受栅射控制电压控制关断IGBT， 直到烧坏。
1 IGBT 失效损坏原因
在饲服驱动中，IGBT 总是受感性电机负载的冲击，短时过载等触发的擎住效应是失效损坏的根本原因。另外IGBT 驱动电路设计的不够严密，使用不合理等，都可能导致IGBT 永久的损坏。下面进行详细分析。
1．1 过流触发擎住效应导致IGBT 损坏
IGBT有一定瞬时抗过流能力，外部控制逻辑也能提供一定保护。最主要的是IGBT驱动电路保护措施的设计一定要严密。由于IGBT半导工艺结构上存在一个寄生晶体管，也就是寄存可控硅。IGBT的理想等效电路如图1所示。
集电极
栅极
发射极
图1 理想的等效电路
它是一个PNP双极晶体管和功率MOSFET采用达林顿连接而形成的单片BI-MOS晶体管。而实际的IGBT的等效电路却如图2所示。


图2 实际的IGBT 等效电路
IGBT 实际等效电路与理想等效电路相比不同之处在于T2 与T3 分别为可控硅与功率MOSFET 构成的。图中T2 是有条件的寄生存在的。正常使用不存在T2。但由于IGBT 制造工艺问题，存在一个低阻值扩散电阻Rd，在一般正常使用情况下，由于Ic 在 Rd 上的正向偏压不足以打开寄生NPN T2 晶体管，此时等于不存在T2。
当Ic 电流在Rd 上的压降大到能够使寄生NPN T2 导通，由于正反馈原因，使T2 和T3 快速处于全导通状态。这样在Ic 过流条件下，T2 的寄生晶体管存在，T2 和T3 晶体管已形成导通。门极控制作用失灵，失去控制作用，形成自锁现象，这就是擎住效应。一旦形成自锁，集电极电流增大，产生高热消耗，导致器件损坏。另外在IGBT 关断的动态过程中，dvce/dt 变化太快，在结电容中产生较大的位移电流，流过扩散电阻Rd，也会产生足以使NPN T2 晶体管导通的正向偏压，触发T2 的导通形成自锁。
1 其它原因损坏过压损坏，由于IGBT 的感性负载，在关断时产生尖峰电压，如果尖峰电压过高也会造成器件损坏。这时损坏往往为内置FWD 二极管被击穿，这种情况也不少见。栅驱动电路控制逻辑失灵导致桥臂直通，烧坏IGBT。另外长时间过热满负载运行也会导致器件损坏。根据我们对IGBT 失效的分析，IGBT 失效还看不出与栅控逻辑失灵、过热等有直接关系。
2 IGBT 驱动电路设计不严密通过对EUPEC 公司的几种IGBT 失效分析，我们的结论是安全保护措施没有起作用。有时损坏相当严重。比如说：BSM150GT120DN2 ，烧坏上下两臂，并使外部相关的驱动电路全部损坏，包括A4514V 、SIE20034 、晶体管、隔离电源及变压器等。最严重的将内置保险丝和厚膜电流检测板的输入晶体管烧坏。损坏的IGBT 模块内部烧坏情况如图3 所示。



图3 BSM150GT120DN2损坏模块


图4 BSM50GX120DN2 损坏模块
图3 为三个并联IGBT 烧坏两个单元，正好外部连接为三相之一U 相的输出。图4 损坏较轻，只有一只FWD 击穿，在放大镜下可清晰看见方形PN 结（FWD）在两直角边交接处被高压击穿，不是擎住效应损坏。而摘掉此FWD，IGBT 晶体管可以工作，如果外接一个与内置FWD 性能相近的二极管，这快BSM50GX120DN2 被复活，可以降额使用。像FWD 被击穿的是少数，IGBT 单元完全烧坏为多数，完全烧坏的过程还不能完全说清楚。
由于IGBT 关断时，速度很快，FWD 反向恢复时会产生很高的dIc/dt 变化率，这时在负载电感上会产生L*dIc/dt 高的关断浪潮电压，击穿FWD 可能性很大。如图4 所示，它是电压击穿而不是过流烧坏。
Siemens 的功率模块一旦损坏就连同对应的外围驱动电路也往往会被破坏。我们不得不怀疑IGBT 驱动电路设计存在问题。功率驱动模块对用户是不透明的。我们只能从Siemens 公司所使用的IGBT 的参数推测它的外围，主要用A4514V 、SIE20034 驱动IGBT。这两个电路内部细节不祥。经过分析Siemens 的功率模块IGBT 驱动电路与国内大家比较熟悉的FUJI 的EXB841 厚膜电路相似。只有Siemens 公司功率模块设计者清楚IGBT 驱动电路设计的不足，如何提高安全保护性能。最好克服驱动电路设计的麻烦，而采用IPM。
2 结论
IGBT 损坏的原因有多种多样，有由于制造工艺引起的潜在的问题，也有外围驱动电路设计不严密的问题。尤其是后者，我们可以设法避免。现在比较普遍认可的就是采用IPM 替代IGBT。IPM 把驱动和功率输出功率管集成在一起，他的保护措施反应要快速的多。因为Siemens 公司的功率模块种类很多，功率大小差别很大，我们的分析不一定全面，谨供参考。