西門子的simodrive功率模組失效分析
摘要：本文通過對已損壞的西門子igbt的研究，詳細的分析了西門子igbt損壞的原因，有igbt製造過程中工藝問題，也有外圍驅動設計不嚴密的問題。
西門子公司數控系統各擋**c 中都使用simodrive611 變頻系統。simodrive611 是西門子各檔數控系統中最重要的組成部分，而飼服功率模組和電源模組是simodrive611 中的重要部分，但它故障率高、容易損壞，可靠性不如系統中其他部分好。
本文主要針對西門子功率模組失效損壞進行分析。我們通過對6sn1123-1aa00-0ca1 單軸50a、6sn1123-1aa00-0da1 單軸80a、6sn1123-1aa00-0ea1 單軸160a 以及6sn1145-1ba0-0ba0 16/21kw 電源模組失效進行分析。它們共同之處是都使用大功率igbt 作為輸出，而且igbt 的驅動電路也基本相同。
隨著電力電子的快速發展，飼服功率輸出部分廣泛採用igbt 電晶體取代gtr 等。因為igbt 驅動電路相對簡單，幾乎可以用ttl 邏輯電路直接驅動，這是它的優點；而它的缺點也很明顯，那就是igbt 電晶體存在所謂擎住效應，正常使用不存在此效應，但使用不當，一旦因過流觸發此效應，igbt 電晶體便為常通，根本不受柵射控制電壓控制關斷igbt， 直到燒壞。
1 igbt 失效損壞原因
在飼服驅動中，igbt 總是受感性電機負載的衝擊，短時過載等觸發的擎住效應是失效損壞的根本原因。另外igbt 驅動電路設計的不夠嚴密，使用不合理等，都可能導致igbt 永久的損壞。下面進行詳細分析。
1．1 過流觸發擎住效應導致igbt 損壞
igbt有一定瞬時抗過流能力，外部控制邏輯也能提供一定保護。最主要的是igbt驅動電路保護措施的設計一定要嚴密。由於igbt半導工藝結構上存在乙個寄生電晶體，也就是寄存可控矽。
igbt的理想等效電路如圖1所示。
集電極柵極 發射極
圖1 理想的等效電路
它是乙個pnp雙極電晶體和功率mosfet採用達林頓連線而形成的單片bi-mos電晶體。而實際的igbt的等效電路卻如圖2所示。
圖2 實際的igbt 等效電路
igbt 實際等效電路與理想等效電路相比不同之處在於t2 與t3 分別為可控矽與功率mosfet 構成的。圖中t2 是有條件的寄生存在的。正常使用不存在t2。
但由於igbt 製造工藝問題，存在乙個低阻值擴散電阻rd，在一般正常使用情況下，由於ic 在 rd 上的正向偏壓不足以開啟寄生npn t2 電晶體，此時等於不存在t2。
當ic 電流在rd 上的壓降大到能夠使寄生npn t2 導通，由於正反饋原因，使t2 和t3 快速處於全導通狀態。這樣在ic 過流條件下，t2 的寄生電晶體存在，t2 和t3 電晶體已形成導通。門極控制作用失靈，失去控制作用，形成自鎖現象，這就是擎住效應。
一旦形成自鎖，集電極電流增大，產生高熱消耗，導致器件損壞。另外在igbt 關斷的動態過程中，dvce/dt 變化太快，在結電容中產生較大的位移電流，流過擴散電阻rd，也會產生足以使npn t2 電晶體導通的正向偏壓，觸發t2 的導通形成自鎖。
1 其它原因損壞過壓損壞，由於igbt 的感性負載，在關斷時產生尖峰電壓，如果尖峰電壓過高也會造成器件損壞。這時損壞往往為內建fwd 二極體被擊穿，這種情況也不少見。柵驅動電路控制邏輯失靈導致橋臂直通，燒壞igbt。
另外長時間過熱滿負載執行也會導致器件損壞。根據我們對igbt 失效的分析，igbt 失效還看不出與柵控邏輯失靈、過熱等有直接關係。
2 igbt 驅動電路設計不嚴密通過對eupec 公司的幾種igbt 失效分析，我們的結論是安全保護措施沒有起作用。有時損壞相當嚴重。比如說：
b**150gt120dn2 ，燒壞上下兩臂，並使外部相關的驅動電路全部損壞，包括a4514v 、sie20034 、電晶體、隔離電源及變壓器等。最嚴重的將內建保險絲和厚膜電流檢測板的輸入電晶體燒壞。損壞的igbt 模組內部燒壞情況如圖3 所示。
圖3 b**150gt120dn2損壞模組
圖4 b**50gx120dn2 損壞模組
圖3 為三個併聯igbt 燒壞兩個單元，正好外部連線為三相之一u 相的輸出。圖4 損壞較輕，只有乙隻fwd 擊穿，在放大鏡下可清晰看見方形pn 結（fwd）在兩直角邊交接處被高壓擊穿，不是擎住效應損壞。而摘掉此fwd，igbt 電晶體可以工作，如果外接乙個與內建fwd 效能相近的二極體，這快b**50gx120dn2 被復活，可以降額使用。
像fwd 被擊穿的是少數，igbt 單元完全燒壞為多數，完全燒壞的過程還不能完全說清楚。
由於igbt 關斷時，速度很快，fwd 反向恢復時會產生很高的dic/dt 變化率，這時在負載電感上會產生l*dic/dt 高的關斷浪潮電壓，擊穿fwd 可能性很大。如圖4 所示，它是電壓擊穿而不是過流燒壞。
siemens 的功率模組一旦損壞就連同對應的外圍驅動電路也往往會被破壞。我們不得不懷疑igbt 驅動電路設計存在問題。功率驅動模組對使用者是不透明的。
我們只能從siemens 公司所使用的igbt 的引數推測它的外圍，主要用a4514v 、sie20034 驅動igbt。這兩個電路內部細節不祥。經過分析siemens 的功率模組igbt 驅動電路與國內大家比較熟悉的fuji 的exb841 厚膜電路相似。
只有siemens 公司功率模組設計者清楚igbt 驅動電路設計的不足，如何提高安全保護效能。最好克服驅動電路設計的麻煩，而採用ipm。
2 結論
igbt 損壞的原因有多種多樣，有由於製造工藝引起的潛在的問題，也有外圍驅動電路設計不嚴密的問題。尤其是後者，我們可以設法避免。現在比較普遍認可的就是採用ipm 替代igbt。
ipm 把驅動和功率輸出功率管整合在一起，他的保護措施反應要快速的多。因為siemens 公司的功率模組種類很多，功率大小差別很大，我們的分析不一定全面，謹供參考。
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