Por qué falla un módulo IGBT: cortos, voltaje y calor

Un módulo IGBT falla casi siempre por una de cuatro causas: un corto o sobrecorriente que no se cortó a tiempo, un sobrevoltaje, calor, o una compuerta dañada por el driver o por la electricidad estática. La quinta causa es el desgaste de tantos ciclos de calentar y enfriar. Saber cuál fue importa, porque si solo cambias el módulo sin quitar la causa, el nuevo puede morir igual.

Corto circuito y sobrecorriente

Es la falla más violenta. Infineon explica en su nota AN2011-05 qué pasa: cuando un IGBT de potencia encendido se encuentra con un corto, la corriente sube muy rápido, el IGBT sale de saturación y la corriente se limita a unas cinco veces la nominal en los IGBT3, mientras el voltaje se queda alto. Con tanta corriente y tanto voltaje a la vez, el chip se calienta en microsegundos.

Por eso los módulos de Infineon se diseñan para aguantar el corto hasta 10 microsegundos (6 µs en el IGBT3 de 600 V), y el driver tiene que apagarlos antes de ese tiempo. Fuji Electric coincide: pide protección contra corto con respuesta de menos de 10 µs y un diseño de baja inductancia.

• Qué se ve: al medirlo fuera del circuito, el módulo marca corto entre colector y emisor.
• Qué revisar: cables y bobinas del motor en corto, la protección de desaturación del driver, y los demás IGBT del mismo puente.

Sobrevoltaje en el bus y picos al apagar

Cada vez que el IGBT se apaga, la inductancia del cableado interno y externo genera un pico de voltaje. Infineon lo dice así: las inductancias parásitas producen sobrevoltajes en los apagados, y por eso hay que minimizarlas. Si el pico se suma a un bus ya alto, puede pasar el voltaje máximo del módulo.

El bus también sube por otras razones. En el manual del ACS380, ABB explica que al frenar un motor de mucha inercia el exceso de energía sube el voltaje del bus, y el chopper de frenado manda ese exceso a la resistencia. Si la resistencia o el chopper no sirven, el bus sube más de la cuenta.

• Qué revisar: resistencia de frenado, chopper, capacitores del bus y los snubbers o capacitores cercanos al módulo, si el equipo los tiene.

Calor

Yaskawa lo dice sin rodeos: el calor es el enemigo número uno de un variador. Fuji Electric añade que el sobrecalentamiento viene de enfriamiento insuficiente, pérdidas altas de conmutación o sobrecorriente sostenida, y que el estrés térmico degrada las uniones, los hilos de unión y las soldaduras.

• Qué revisar: ventiladores, filtros y aletas del disipador tapados de polvo, temperatura del cuarto y la pasta térmica entre módulo y disipador.
• Dato útil: Infineon recomienda que el disipador tenga planitud de 30 µm o menos y que la pasta forme una capa de unos 50 a 100 µm. Un módulo mal montado se calienta aunque sea nuevo.

Compuerta dañada y driver

La capa aislante de la compuerta es muy delgada. Fuji explica que se rompe por exceso de voltaje de compuerta o por descarga electrostática, y da como referencia un límite de más o menos 20 V entre compuerta y emisor. Infineon, en su nota de montaje de los EconoDUAL 3, exige tratar los terminales de compuerta con protección contra descarga electrostática: pulseras, estaciones de trabajo y empaque original.

Un driver que da pulsos mal formados o con ruido también daña el módulo. Si el IGBT se queda encendido parcialmente, se calienta; y Fuji explica que un pico rápido de voltaje en el colector puede encenderlo solo, sin que el driver lo pida.

• Qué revisar: voltajes de alimentación del driver, resistencias de compuerta y supresores de voltaje (TVS) de esa tarjeta, antes de instalar el módulo nuevo.

Desgaste por ciclos de potencia

Aunque todo esté bien, cada ciclo de calentar y enfriar fatiga el módulo por dentro. Semikron Danfoss, en su nota AN 21-001, describe dos modos de falla de fin de vida: la fatiga de la soldadura del chip y el desprendimiento de los hilos de unión. Lo vemos con más calma en la guía de vida útil de un módulo IGBT.

Cómo separar la causa del efecto

1. Desconecta, espera la descarga del bus y confirma con el multímetro que no hay voltaje. Mira la nota de seguridad de cómo probar un módulo IGBT.
2. Prueba el módulo fuera del circuito y toda la parte de potencia cercana.
3. Revisa el driver y las fuentes de la tarjeta de control.
4. Busca la causa externa: motor, cables, frenado, ventilación.
5. Recién entonces monta el módulo nuevo con la guía de cómo reemplazar un módulo IGBT.

Para el caso concreto de equipos de velocidad variable, sigue con las fallas comunes de IGBT en variadores y la página de módulos IGBT para variadores de frecuencia.

Cuando ya tengas el código del módulo dañado, mándalo por WhatsApp. Revisamos el catálogo de módulos IGBT y la página de https://digitecparts.com/modulos-igbt/ para decirte si lo tenemos. Si es de la familia FF, FZ o FS de Infineon o de Eupec, la guía de módulos IGBT Infineon y Eupec te ayuda a identificarlo.