1、普通晶闸管的失效分析
1.1、失效机理
（1）体内缺陷：导致电流集中，形成热斑，最终损坏器件。
（2）门极功耗：为防止因门极功耗引发的热击穿，最好将门-阴极短接。
（3）di/dt：一是因晶闸管的di/dt耐量有限；二是因触发信号不满足要求。触发不充分，导致局部导通。
（4）du/dt：关断过程中，J2结位移电流导致误触发，形成热斑。
1.2、失效模式
图1晶闸管因过电流损坏的外貌特征 图2损坏的晶闸管外貌特征
2、GTO的可靠性与失效分析
2.1、安全工作区
正偏安全工作区（FBSOA）与普通晶闸管的相似，在正向导通时受瞬时浪涌电流限制， 在阻断时受转折电压限制。反偏安全工作区（RBSOA）是指在一定条件下，门极加反偏压使GTO能可靠关断的区域。其电流限制为阳极最大可关断电流ITGQM，功耗限制为发生动态雪崩时产生的最高功率密度。
2.2、关断能力
受三个因素的限制：最大可关断电流、动态雪崩及关断过程中的非均匀电流分布。
（1）最大可关断电流密度：
上式是GTO在无吸收关断条件下的关断能力，并非通常吸收条件下的限制。
（2）动态雪崩：阳极电压
器件功耗密度：
2.3、失效机理
（1）使用不当：过流、过压或若门极触发电流脉冲幅度和上升率过低，不能保证所有单元同时开通。
触发GTO时，首先要保证门极触发脉冲幅度和上升率，使所有单元同时被门极触发开 通。并且在GTO完全导通后，外电路仍需提供一个较小的门极后沿电流，以维持所有单元的持续导通。
（2）二次击穿：开关过程中电流非均匀分布导致局部过热，或者关断过程中阳极电压上升时，高电场产生的动态雪崩而诱发二次击穿。
GTO在开通和关断之间，需要一个时间间隔（20～150μs），以获得更均匀的温度分布，防止出现热斑。在GTO的关断过程中，阳极电压会在导电通道收缩完之前就开始上升，使得关断损耗随阳极电压及其上升率的增大而增加，会发生局部过热。此外， 类似功率晶体管在高电流密度下处于准饱和区的情况，GTO内部电场强度会发生再分布，并诱发雪崩注入。这两种情况均会导致二次击穿。
（3）自身结构与参数偏差：门极结构产生不同的分布电感；材料或工艺参数偏差加剧电流的非均匀分布。
（4）过热：冷却不足，导致过热引起的GTO失效。
3、IGCT的可靠性与失效分析
3.1、可靠性
（1）电极的热机械应力
采用单层金属Al时，硅芯片表面上的热机械应力最大；采用三层和四层金属化结构时，硅芯片表面上的热机械应力明显减小，但 Cr层的热机械应力均大于Ti层。采用Ti/Ni/Ag或 Al/Ti/Ni/Ag金属化电极更合适。
表1各金属层最大应力值（单位：MPa）
（2）热循环能力
热循环失效机理与金属化层的热机械应力有关，是由温度过高和温度变化率（dT/dt）过大引起的。最高工作结温升高会导致热循环应力增加，使IGCT的性能恶化。通过增加阴极接触面积，可以减小阴极铝层的热机械应力，提高IGCT的热稳定性。
（3）高温阻断的稳定性
高温阻断能力与结终端结构和钝化层密切相关。GCT芯片及其续流二极管通常采用负斜角结终端结构和类金刚石的钝化系统，在140℃高温下仍满足指标要求。
（4）门极驱动单元
在常规的IGCT中，GDU限制了可允许的环境温度。在工作寿命期内，其中电容器的温 度必须低于60℃。所以，在实际应用中，当环境温度上升到40℃以上时，必须降低IGCT的电流容量。此外，门极接触与关断单元之间的杂散电感也限制了阳极最大可关断电流和SOA。 杂散电感越大，需要的（电解）电容器组电容量也越大，导致GDU的体积也随之增加。
3.2、失效分析
（1）超SOA失效
RBSOA的大小受限于两个因素：硬驱动电路偏离设计要求；pnp晶体管的功耗。
通过适当减小最外环的单元数或者采用局部降低最外环单元的少子寿命，可改善GCT的局部SOA。
扩展IGCT的SOA：一是降低门极驱动电路的电感，减小阴极单元环之间的信号偏差， 以提高硬驱动限制；二是通过改善基区开路pnp晶体管的SOA，以提高IGCT的局部SOA； 三是采用少子寿命控制技术来减小或补偿横向关断的不均匀效应；四是改进GCT的结构设计，如采用波状基区增加开关过程的电流均匀性，或者增加外层环单元的金属接触面积来降低最外层环的电流密度，或者将每个阴极单元的电流密度减小约10%，均可改善SOA。
（2）电感不平衡引起的过载失效
（3）波状形状对SOA的影响
图3波状基区IGCT在140℃单脉冲和双脉冲（10kHz）下SOA的测试结果
图4杂散电感与环数之间的关系
（4）失效率
宇宙射线引起的器件失效可用海拔来表征。
失效率主要受阻断电压、结温及海拔三种因素影响。相比较而言，外加电压的影响较大，温度的影响相对较小。
当直流电压越高、海拔越高、结温越低，IGCT的失效率就越高。
由于宇宙射线辐射引起的失效主要由开关期间器件承受的过电压决定。在产品数据单中通常会给出失效率λ测试曲线，根据测试曲线可以查出不同工作条件下该器件的失效率。
4、晶闸管的特点与应用范围
普通晶闸管具有阻断电压高（可达数千伏）、通态电流大（可达数千安）、损耗低、输出电压可调、体积小、重量轻、无噪声、寿命长的特点，广泛地应用于电力系统、电机励磁、 整流、逆变、调压等方面。但其特性参数受温度的影响较大，温度升高，会形成局部的热点和电流集中，因此串、并联使用复杂，承受过载的能力差。并且普通晶闸管的关断由阳极反向高电压控制，导致关断电路复杂，易发生误触发。
GTO除具有高电压、大电流外，还有自关断和快速关断、频率较高、门极回路控制功率小、关断电路简单，以及过载能力较强和SOA较宽等特点，可作为大功率、高电压开关，主要用于高压大功率斩波器、逆变器及其他变流器，如地铁、电力机车、矿用车等车辆控制， 电加热、电镀、电焊、蓄电池组充放电，以及照明、逆变电源、UPS等大功率领域。但GTO需要庞大的门极驱动电路来实现开通和关断，且关断期间存在电流非均匀分布和瞬态电压尖峰，拖尾电流大，导致关断瞬态功耗很大。实际使用时需要增加吸收电路来抑制瞬态过电压，导致装置的重量与体积增加。采用门极 “硬驱动” 电路，通过减小门极回路的杂散电感，可以提高门极电流上升率，使门极电流瞬间增加到阳极电流，可实现单位关断增益，并显著减小GTO的关断功耗。
IGCT采用了透明阳极、场阻止层、逆导技术和门极“硬驱动”技术，具有损耗低、开关频率高、SOA稳定、驱动电路简单、无须关断吸收电路、串联容易、成本低、体积小、重量轻，以及热耗散、电应力和内部热应力小，可靠性高等优点，在中高压领域以及功率为（0.5～100）MVA的应用中可以代替GTO与高压晶闸管，目前已可靠地应用于机车、舰船、泵、风扇等中等电压驱动控制，静止补偿器（STATCOM），动态电压恢复器（DVR）、动态不间断电源（DUPS）、静态阻断器、感应加热、谐振转换器、脉冲电源及高压直流（HVDC）输电等大功率的应用领域。