张　振，蔡　煜（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）



大功率IGBT短路故障分析

张振，蔡煜
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘要：IGBT模块正常条件下运转正常，但在低电感短路条件下时，却出现故障。通过对商用IGBT模块的主电流通路和栅极结构的内部电气通路进行分析，获取了部分电感的自感和互感。对部分电感应用PSPICE进行建模，经过仿真发现在短路试验时电流最高的通路与故障芯片的位置是一致的。同时还提出了一个相似的IGBT模块的布局方案。对IGBT模块的几何排布进行了建模仿真并给出了仿真结果。

关键词：电流密度IGBT电感功率半导体器件功率半导体开关脉冲电源开关

0　引言

大功率变频器装置在正常状态下，IGBT模块（生产厂家代号为A）能够可靠运行，但是当发生电弧故障时，却出现了一些模块损坏的情况。

通常情况下，短路故障分为两类：软性短路和硬性短路。其中硬性短路是指IGBT正在开通时发生的短路故障，而软性短路是指IGBT导通之后发生的短路故障。在理想条件下，IGBT模块发生软性短路故障时集电极电流（Ic）会升高，直到IGBT脱离饱和状态，此时集电极电压会升高，而开关的跨导会将电流限制在一个安全的范围内。当栅极发射极驱动电压为+15V时，A厂家IGBT模块的芯片会脱离饱和状态，并限制模块的故障电流到5 kA左右。

本文进行了软性短路故障的测试，采用的试验方式是使用IGBT模块通过饱和电感给电容放电。开始时由于电路电感的限制，电流的增长率较低，而当电感饱和后不再阻碍电流增长时就会出现软性短路。

1　故障说明

发生软性短路时，变频器中有一些模块发生损坏。测量显示故障时IGBT模块中电流峰值超过了15 kA，而上升速率大于10 kA/μS。

A厂家IGBT模块的设计采用共16块IGBT芯片和8个反并联二极管，内部形成共四个相同的阀组。每个阀组如图1所示包含四个IGBT芯片和两个反并联二极管。

通过图2所示的发射极和集电极汇流排来彼此连接，将靠近集电极汇流排的两块芯片称为“IGBT A”，将靠近发射极汇流排的两块芯片称为“IGBT B”。

打开IGBT模块经过观察发现故障均发生在最靠近发射极汇流排的IGBT B的芯片上。对损坏IGBT模块的检查发现IGBT芯片内部布局的不对称导致了电流的不平衡，这意味着IGBT B芯片中的电流密度要高于IGBT A。

表1　图3及图4中自感（对角线）互感值（非对角线）

图1　A厂IGBT模块内部布局

图2　A厂IGBT模块单个阀组

图3　A厂IGBT模块半个阀组等效电路

2　故障分析

IGBT芯片间的电流分布是通过电路分析软件PSPICE来实现的，软件模型中包含计算出的电气通路的自感和互感数值，与实际的IGBT芯片的电气参数相一致。

2.1电感

如图3所示为A厂生产的IGBT模块中一个阀组的接线图，在图中IGBT阀组等效电路中阀组节点的布置是采用圆点来表示的，这些节点间的电路连接是通过红色连线来表示的。主电源到IGBT芯片间的连接是通过：

1）集电极汇流排，至集电极板，再到IGBT A的集电极，然后到IGBT B的集电极。

2）发射极汇流排，至发射极板。

栅极驱动是通过外部的栅极和控制发射极节点连接到IGBT芯片的。

从图1可以看出阀组的上下部分的对称性，因此可以确定电感模型的主要部分可以从两个IGBT芯片推导得到，考虑到故障的模式，因此使用四块IGBT芯片中的两块来进行PSPICE建模是足够的。

图3是IGBT阀组下半部分的视图，上面按照位置绘制有电感建模的等效电路。每个电感边的圆点代表PSPICE模型中的同名端，同时表示互耦中的正向。共有八组焊线将IGBT的芯片连接至发射极板，在图3中：

1）LCollectorB代表GBT B集电极电感。

2）LCollectorAB代表从集电极板出来IGBT A和IGBT B共有的集电极电感。

3）LEmitterA代表集电极焊线和IGBT A电源发射极板的电感之和。

4）LEmitterB代表IGBT B发射极焊线电感。

5）LEmitterAB代表电源发射极板上被IGBT A和IGBT B共有的电感。

6）LGateA代表IGBT A栅极焊线的电感。

7）LGateB代表IGBT B栅极焊线和栅极母排的电感。

8）LContaolEmitter代表控制发射极母排的电感与到电源发射极板的焊线的电感之和。

每条发射极焊线在集电极板上在集电极板上都焊接在不同的位置，在电路模型中假定这些连接到IGBT芯片的电感是固定在同一个节点上的。在这个一阶电感模型中，忽略发射极焊线上电流密度的差别，所有的发射极焊线被视作出自同一个公共点。

图4将普通电感表示为直线段，由于电感仅被定义为闭合环路，而电感值绝大部分取决于所选取的返回路径，于是等效电路可以认为是由部分电感组成。这种等效电路只有在考虑了完整的环路以及所有部分电感间的互感时才是有效的。

图4　半个阀组等效电路的PSPICE模型

可以用来计算部分电容的软件有FastHenry，Amperes和Faraday，本文使用公用软件FastHenry的电感提取功能计算IGBT阀组中部分电感矩阵。FastHenry是一款三维电感计算软件，能够计算随频率变化的电阻值，以及复杂外形导体的自感和互感。FastHenry将导体外形模拟成一个直线运动的导体，然后计算导体在不同节点间的阻抗。

FastHenry将模型视作一个n端口网络，仿真的输出是一个文本文件，其中有给定频率下各个端口间的直接阻抗和互阻抗。仿真方法是将一个交流电流施加到网络中的一个端口，然后测量其它端口感应出来的电压。阻抗的实部与虚部分别代表从此端口看进去的电阻与电感。输出矩阵的对角线上的阻抗的虚部代表自感，而非对角线位置的虚部代表互感。在PSPICE软件中，互感是左右一个耦合系数来计算的。表I所示为图3及图4中电感的自感和互感数值。其中，自感数值位置主对角线上，而在非对角线位置上则是互感的耦合系数。

2.2IGBT的PSPICE模型

A厂不提供很多产品的PSPICE模型，因此在PSPICE中的芯片模型选取的是IR公司的IRG4PH50U型IGBT，这是一种单芯片的模块。IR公司的IGBT芯片模型进行了下列设置：

1）模型参数按照A厂芯片的直流参数特性表来调整，设置为一个芯片，环境温度25℃，集电极发射极电压为20V。

2）对A厂的IGBT芯片进行测试，然后根据测试数据调整IR公司IGBT芯片的随电压变化的电容值。图5所示为密勒电容，以及一块IGBT芯片的集电极发射极电容，此电容值为电压的函数。测量在Vge为直流350V的情况下进行，栅极发射极电容经过仿真约为14.7 nF。

其它建模的条件包括：

1）图2中的二极管不建模，因为测试在IGBT导通条件下进行，此时二极管中没有电流通过。

2）只对从IGBT芯片出来的焊线进行建模，而将两半芯片链接在一起的焊线没有进行建模。

图5　IGBT芯片的Ccg和Cce

模拟环境下，栅极发射极驱动电压可以在-15V 与+14V范围内调节。栅极驱动电压是从IGBT模块外给出的，加在Gate_Trigger和Control_Emitter之间（如图4所示）。因此，栅极发射极电压Vge是不同于外部施加的驱动的。仿真分析是获取自IR公司

IGBT模型的栅极和发射极之间的电压Vge。

2.3仿真结果—正常运行

正常运行时，仿真得到的最大电流数值如图6所示，每个IGBT模块高达3 kA（16个IGBT芯片中每个芯片平均为180 A）。IGBT B中的电流仅仅略高于IGBT A。假设每个IGBT芯片中的电流均匀分布，每个芯片对于集电极发射极电流都具有80mm2的有效截面积，在芯片中最大的电流密度约2.3 A/mm2。在电流上升期出现的电流不平衡的原因是IGBT A的栅极发射极电压Vge在此期间发生下降。

图6　IGBT芯片正常运行时波形

2.4仿真结果—软性短路

在软性短路条件下仿真出来的栅极发射极驱动电压波形有一个1.2 ms的平顶，每个IGBT模块的最大电流为6 kA（平均每个芯片375 A）。从图7的电流波形可以看出：通过IGBT B的最大电流为490 A，比模块最大电流的十六分之一高出大约30%，原因是IGBT B的Vge在电流的急速上升期增加了大约2.5V。而IGBT A中最大电流小于十六分之一模块电流的原因则是在电流的急速上升期Vge下降了约3V。

图7　IGBT芯片软性短路时波形

假设每个IGBT芯片中的电流均匀分布，每个芯片对于集电极发射极电流都具有80mm2的有效截面积，在IGBT B的芯片中最大的电流密度约为6.1 A/mm2。由于软性短路导致IGBT故障，仿真计算进一步的分析了IGBT A和IGBT B芯片中出现电流不平衡的原因。

3　仿真结果

从图7可以看出，IGBT B在软性短路时通过的电流要明显高于IGBT A。因此，对于软性短路时IGBT B的Vge增加和IGBT A的Vge下降进行了理论分析和计算：

1）主电流通路连线至栅极的电感（图4中的LGateA和LGateB）之间的互感参见表I。

2）主电流通路连线和控制发射极电感（图4中的LControlEmitter）之间的互感参见表1。

3.1与栅极母排互感的影响

从图7可以看出，在软性短路时，IGBT的Vge上升了将近2.5V而其中的最大电流则达到了490 A。为了确定栅极母排和焊线的互感的作用，在仿真中将互感值设置为零。在对栅极没有互感的情况下，当软性短路发生时IGBT A和IGBT B芯片的Vge各自下降了大约3V，从图8可以看出，通过IGBT A和IGBT B中的电流分别被限制在了320A和350 A。

图8　无栅极母排互感时软性短路时波形

可以看出，主电流通路与栅极母排间的互感明显造成了IGBT芯片中的电流不平衡。根据表II，大电流通路的LEmitter与LGateB的互感最大，同时，大电流通路的LEmitterAB、LCollectorB 和LEmitterA与LGateB的互感也较大。

3.2与控制发射极互感的影响

为了确定与控制发射极的互感的作用，将这些互感值设置为零。在没有这些互感的前提下，当软性短路发生时，IGBT B的Vge上升了大约5V（如图9所示）。于是，当与控制发射极的互感为零时，IGBT B中最大的故障电流从490 A上升到了520 A。同样情况下，IGBT A中的最大故障电流从360 A上升到了395 A。

主电流通路和控制发射极母排的互感限制了IGBT芯片中的最大电流，根据表1，大电流通路上的LEmitterAB与LControlEmitter之间的互感最大，同时，大电流通路上的LCollectorB、LEmitterA与LControlEmitter间的互感也较大。

如图2和图3所示，控制发射极母排与控制IGBT B的栅极母排平行。大电流通路的电感LCollectorB、LEmitterA和LEmitterAB同LGateB 和LControlEmitter之间的耦合参数在幅值上是相似的，因此感应的电压对IGBT B的Vge的作用相对较小。然而，LEmitterB与LGateB之间的耦合系数相比LEmitterB与LControlEmitter之间的耦合系数就要大得多了。所以，IGBT B的发射极中急速上升的电流与自身栅极的耦合系数最高，对Vge上升影响最大。

图9　无控制发射极互感时软性短路时波形

4　改进方案

通过对芯片中电流不平衡原因的分析，综合考虑阀组中芯片的布局，设计出一种如图10所示的布局模式，并对这种IGBT模块IGBT进行了软性短路条件下的建模与仿真。

图10　改进IGBT阀组布置方案

分析结果显示这种特殊的布局可以显著的降低IGBT芯片间的电流不平衡（见图11）。

IGBT芯片间电流不平衡的降低是因为这种芯片布局可以降低栅极发射极电路中的感应电压（见图12）。

5　结语

研究证明栅极母排和栅极焊线的互感是A厂IGBT模块的芯片间电流不平衡的主要原因，同栅极电路的互感可以使得芯片Vge的电压升高，超过外部施加的栅极电压，因此对故障电流的影响最大。所以，在对IGBT模块进行设计，特别是要求高di/dt时，必须格外注意模块内部的主电流通路的布局。

图11　每阀组附加2 Ω电阻的改进方案软性短路电流波形

图12　每阀组附加2Ω电阻的改进方案软性短路电压波形

每个IGBT阀组中低于2 Ω的栅极电阻可以降低故障电流，虽然IGBT芯片间电流不平衡的绝对值并没有受到太大影响。不推荐在每个阀组（包含四个IGBT芯片）使用低于0.3 Ω的栅极电阻，因为会引起栅极电流振荡。

在对IGBT模块的内部布局方式进行改进之后，通过仿真分析可以看出在软性短路故障条件下，芯片间的电流分布是均匀的。

参考文献：

［1］徐德鸿.现代电力电子器件原理与应用技术.北京：机械工业出版社，1999.

［2］Cadence，San Jose，CA 95134，USA.www.orcad.com.

［3］贺益康，潘再平 电力电子技术.北京：机械工业出版社，2009.

［4］徐德鸿.电力电子系统建模及控制.北京：机械工业出版社，2006.

Analysis of High Power IGBT Short Circuit Failures

Zhang Zhen，Cai Yu
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:IGBT modules work well under normal conditions，but they fail when short circuit at low inductance.The internal electrical connections of a commercial IGBT module are analyzed to extract self and mutual partial inductances for the main current paths as well as for the gate structure.The IGBT module，together with the partial inductances，is modeled.The simulation results show that the highest current in the short-circuit test is consistent with the position of the fault chip.A similar IGBT module layout scheme is also proposed.The geometry model of IGBT module is simulated and the simulation results are given.

Keywords：current density； insulated gate bipolar transistors； inductance； power semiconductor devices；power semiconductor switches； pulse power system switches

中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0070-05

收稿日期：2015-12-23

作者简介：张振（1983-），男，工程师。研究方向：电机。