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IGBT 模塊可靠性
隨著風(fēng)力發(fā)電、智能電網(wǎng)建設(shè)、電力汽車、高壓變頻器等新興應(yīng)用的崛起，大功率 IGBT 模塊的應(yīng)用越來(lái)越多。而與之相應(yīng)的是 IGBT 可靠性在大功率電源設(shè)計(jì)中的重要性與日俱增。甚至基于上述新興應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，系統(tǒng)可靠性已經(jīng)成為最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。而大功率開關(guān)器件的可靠性問(wèn)題更是重中之重。
IGBT 模塊失效的機(jī)理大致可以分作兩大類共九個(gè)方面。他們分別是：
第一類，由于參數(shù)余量不足導(dǎo)致的四個(gè)問(wèn)題。
1. 變壓器結(jié)電容相對(duì)于電壓變化率過(guò)大，導(dǎo)致的耦合電流干擾問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致的后果是，輸出邏輯錯(cuò)誤，控制電路被干擾，電路失效等。
2. 驅(qū)動(dòng)電路的工作頻率（最小脈寬）相對(duì) IGBT 開關(guān)頻率（占空比范圍）不足，或輔助電源平均輸出功率不足，導(dǎo)致的輸出不穩(wěn)定。這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致的后果是，驅(qū)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生波動(dòng)，系統(tǒng)最壞情況出現(xiàn)概率增加。
3. 驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓的上升下降沿速率與 IGBT 開關(guān)速率不匹配，或輔助電源峰值功率不足，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路達(dá)不到滿幅值驅(qū)動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致的后果是，產(chǎn)品批量一致性降低，系統(tǒng)最壞情況出現(xiàn)概率增加。
4. 驅(qū)動(dòng)芯片的額定輸出功率密度相對(duì)不足，導(dǎo)致的器件老化加速。這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致的后果是，延遲時(shí)間增加導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間相對(duì)不足。
第二類，與應(yīng)用技術(shù)相關(guān)的五個(gè)問(wèn)題。
1. 器件選用方面的問(wèn)題。包括：儲(chǔ)能電容的可靠性問(wèn)題；電容等效直流電阻問(wèn)題；光敏器件老化與可靠性問(wèn)題；光線接口的環(huán)境粉塵及接口機(jī)械強(qiáng)度等問(wèn)題。
2. 輸出邏輯可靠性方面的問(wèn)題。包括：存儲(chǔ)器邏輯錯(cuò)誤的一些建議措施，驅(qū)動(dòng)板安裝位置建議。
3. 耦合電流路徑方面的問(wèn)題。包括：各單元安裝環(huán)境，位置。接地問(wèn)題，耦合電流引導(dǎo)問(wèn)題，系統(tǒng)敏感帶寬，閂鎖，電源完整性問(wèn)題。
4. 輸出電阻取值方面的問(wèn)題。包括：取值上限的制約因素，取值下限的制約因素，IGBT 溫度與取值區(qū)間的關(guān)系。
5. IGBT 安裝方面的問(wèn)題。包括：由于熱或機(jī)械應(yīng)力不均導(dǎo)致的失效，熱阻及散熱條件均勻性導(dǎo)致的失效。
下面選兩點(diǎn)具體說(shuō)明一下：
一、變壓器結(jié)電容相對(duì)于電壓變化率過(guò)大，導(dǎo)致的耦合電流干擾問(wèn)題。
說(shuō)起驅(qū)動(dòng)器的隔離效果，一些朋友往往想到參數(shù)手冊(cè)中指出的隔離耐壓，或者是能承受的最大電壓變化率。但是，這些參數(shù)實(shí)質(zhì)上是指驅(qū)動(dòng)在什么樣的工作條件下不會(huì)被損壞，而不是指驅(qū)動(dòng)器的隔離效果。任何驅(qū)動(dòng)器，包括使用光隔離的驅(qū)動(dòng)器，都至少要有為輸出級(jí)提供電源的隔離變壓器。而變壓器本身必然會(huì)存在原邊與副邊之間的耦合電容。當(dāng) IGBT 的開關(guān)過(guò)程導(dǎo)致兩邊電壓出現(xiàn)較大變化率的時(shí)候，該電容的充放電必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流。這也將導(dǎo)致變壓器兩側(cè)共地的電路被干擾。
IGBT 的集電極電壓變化率，取決于與門極間等效電容在驅(qū)動(dòng)電流作用下對(duì)應(yīng)的電壓變化率。當(dāng) IGBT 門極電壓變化到門極電流與工作電流相當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，門極電壓將不再變化。驅(qū)動(dòng)器輸出的電流將對(duì)門極和集電極之間的等效電容充放電，實(shí)現(xiàn)門極電位的變化。因此這個(gè)電位變化過(guò)程本身是對(duì)應(yīng)于該條件下對(duì)電容的恒流充電過(guò)程，其開始和結(jié)束都是近似于階躍性質(zhì)的。因此，總體上該干擾電流的函數(shù)具有門函數(shù)的特征。
對(duì)于該干擾電流對(duì)電路系統(tǒng)影響的分析。應(yīng)該采用類似小波變換的各類分析工具，從瞬時(shí)頻譜分析的角度去識(shí)別那些攜帶能量較多的瞬時(shí)頻率分量的特征。而不應(yīng)該是采用基于傅氏變換的全時(shí)域分析。原因是這一類全時(shí)域分析的結(jié)果實(shí)質(zhì)上是在瞬時(shí)頻域分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在時(shí)間上求平均的結(jié)果。這將導(dǎo)致信號(hào)實(shí)時(shí)特征的畸變和丟失，不能真實(shí)地反映問(wèn)題。不管采用何種瞬時(shí)頻率分析方法都將與宏觀上的電流函數(shù)特征相接近。那就是主要的瞬時(shí)頻率成分存在于門函數(shù)周期對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)以上，且較為接近。同時(shí)由于上升下降沿的存在。在相對(duì)較高的頻段也含有相當(dāng)一部分分量。這就使該干擾電流的主要瞬時(shí)頻率分量集中在低頻和高頻兩大部分。其中，低頻部分的頻率大致是對(duì)應(yīng) IGBT 上升下降時(shí)間所決定的電流持續(xù)時(shí)間。在數(shù)百納秒至數(shù)微秒量級(jí)，大致對(duì)應(yīng) 1 至 10 兆赫茲這一區(qū)間。而高頻部分則是來(lái)自門函數(shù)的上升下降沿速率決定的頻率。但這主要取決于耦合通路自身的頻率特性。應(yīng)該是明顯高于低頻部分的。進(jìn)一步考慮到實(shí)際中雜散參量對(duì)該電流的低通能力。實(shí)際中的高頻分量應(yīng)該處于數(shù)百兆赫茲的水平。而 1 至 10 兆赫茲又是一個(gè)比較敏感的頻段。它是 pcb layout 中共點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的混疊區(qū)間。這意味著地線系統(tǒng)中感抗成分達(dá)到甚至超越阻抗成分成為主要因素。
電流的分布路徑變得更加復(fù)雜且相對(duì)比較集中。由于該頻段下線路的感抗特征和阻抗特征都比較明顯，但還沒有高至雜散電容發(fā)揮作用，因此表現(xiàn)出的線路電抗值是比較大的。在相互連接的兩點(diǎn)之間具備形成較大電壓的條件。這部分的干擾電流雖然占據(jù)主體，能量很大。但是頻段相對(duì)較低，主要的影響還是集中在信號(hào)收發(fā)端之間形成的地電勢(shì)差上。這將導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)電平判定閾值裕度的損失。使發(fā)生邏輯錯(cuò)誤的概率提高。
數(shù)百兆赫茲的高頻分量，將表現(xiàn)出明顯的高頻電流特征。并且應(yīng)該是高于或接近多數(shù)主控芯片的工作頻率。大家知道，高頻數(shù)字電路中去耦電容的諧振頻率應(yīng)該是以電路最高工作頻率作為最佳點(diǎn)。而如果干擾電流的頻率高于電路最高工作頻率則很可能使去耦電容表現(xiàn)為感性。結(jié)果是在電流對(duì)電路整體補(bǔ)充電荷以達(dá)成電荷平衡（形成等勢(shì)體）的過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致電源電壓的較大波動(dòng)（尤其是電路接地處理不良的時(shí)候）。從該電流的功率級(jí)別來(lái)講，由于是來(lái)自 IGBT 的開關(guān)動(dòng)作。因此具有電流源性質(zhì)。其能量足以引發(fā)電源完整性問(wèn)題。比如 CMOS 器件最危險(xiǎn)的閂鎖問(wèn)題。其危害之大是可想而知的。
說(shuō)點(diǎn)題外話。電子產(chǎn)品的任何技術(shù)參數(shù)都是在指定的測(cè)試條件下才有意義的。數(shù)據(jù)，有時(shí)僅僅是一種典型代表，并不具有太多實(shí)際意義。就比如說(shuō)變壓器結(jié)電容，很多驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品給出的數(shù)值都是很低的。但是實(shí)際中如此量級(jí)的電容值在實(shí)物測(cè)試時(shí)，必然受到電路雜散電感等因素的影響。而理論值往往又難逃理想化模型的影響。所以該數(shù)值的參考意義大于實(shí)際意義。如果你要對(duì)比結(jié)電容這一參數(shù)，建議同時(shí)比較產(chǎn)品的變壓器結(jié)構(gòu)，以便輔助判斷結(jié)電容誰(shuí)高誰(shuí)低。
綜上所述，IGBT 開關(guān)過(guò)程所導(dǎo)致的變壓器結(jié)電容充放電電流對(duì)與之共地的電路系統(tǒng)的影響是很大的。在選擇 IGBT 驅(qū)動(dòng)器的時(shí)候，需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況充分考慮該因素。對(duì)于控制電路復(fù)雜的系統(tǒng)要尤為注意。需要說(shuō)明的是。比較不同驅(qū)動(dòng)器在這一方面的差異時(shí)，不能僅注意結(jié)電容的數(shù)值。需要格外關(guān)注其變壓器結(jié)構(gòu)上的差異。當(dāng)然對(duì)于成熟的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。相信不同級(jí)別的驅(qū)動(dòng)器必然有不同級(jí)別的隔離能力。只要不出現(xiàn)小馬拉大車的情況即可。但是對(duì)于自制的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品就很有必要比較與同類成熟產(chǎn)品之間在變壓器結(jié)構(gòu)上的差異。比如繞組的間距，繞組投影面積，繞組結(jié)構(gòu)等因素。以便實(shí)現(xiàn)比較可靠的自我評(píng)估。切不可僅僅以實(shí)測(cè)的電容值作為唯一比較參數(shù)。
就如上文提到的對(duì)于 IGBT 開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的耦合電流對(duì)電路系統(tǒng)的影響問(wèn)題。用瞬態(tài)的觀點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)的觀點(diǎn)得出的結(jié)論是大不相同的。如果概念模糊，分析問(wèn)題的基本方法有問(wèn)題，就很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。在技術(shù)問(wèn)題上，結(jié)論和規(guī)則是次要的，因?yàn)榫唧w條件變化不定。但是思路和方法是重要的，因?yàn)槿f(wàn)變不離其中。所以非常期望和大家共同探討一些技術(shù)問(wèn)題的觀點(diǎn)思路，深層機(jī)理。相信幫助會(huì)更大的。
二、驅(qū)動(dòng)電路的工作頻率（最小脈寬）相對(duì) IGBT 開關(guān)頻率（占空比范圍）不足，或輔助電源平均輸出功率不足，導(dǎo)致的輸出不穩(wěn)定。
不知道大家是否有一個(gè)疑問(wèn)。一般來(lái)講限制輸出頻率的因素是響應(yīng)速度和耗散功率。但是相比之下很多驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的規(guī)定輸出頻率上限卻顯得小了很多。這是為什么呢？原因之一，是驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)一次輸出翻轉(zhuǎn)后并不能馬上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。如果在驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)前再次輸出翻轉(zhuǎn)，則會(huì)引發(fā)一些可靠性問(wèn)題。
另外一個(gè)方面是結(jié)型晶體管的存儲(chǔ)電荷問(wèn)題。由于控制方式上的優(yōu)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電路中往往包含有雙結(jié)型晶體管而非全部是場(chǎng)效應(yīng)管。雙結(jié)型晶體管有一個(gè)特點(diǎn)，就是它的關(guān)斷過(guò)程依賴于流經(jīng)的電荷總量。這個(gè)過(guò)程也就是基極存儲(chǔ)電荷的耗盡過(guò)程。而驅(qū)動(dòng)器的輸出并不是連續(xù)的，在達(dá)到給定電位后就不再有輸出。這實(shí)質(zhì)上斬?cái)嗔舜鎯?chǔ)電荷釋放的渠道。因此很多時(shí)候驅(qū)動(dòng)器在一次輸出以后需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)耗盡存儲(chǔ)電荷。如果在它恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)前再次輸出翻轉(zhuǎn)。則可能導(dǎo)致響應(yīng)遲緩，輸出幅度不足和耗散功率的驟增等問(wèn)題。這里需要說(shuō)明的是，如果上述機(jī)理是一款驅(qū)動(dòng)器輸出頻率的主要限制因素，那么該驅(qū)動(dòng)器的極限工作頻率與溫度的相關(guān)性就會(huì)比較大。與之相應(yīng)地就要注意最高工作頻率的實(shí)際測(cè)試溫度，酌情留有裕度。
綜上所述，驅(qū)動(dòng)器輸出頻率應(yīng)當(dāng)留有一定的裕度。最好將占空比變化率計(jì)算在內(nèi)。舉例來(lái)說(shuō)，如果占空比在相鄰兩個(gè)周期間，可能從 33%突變至 66%。那么對(duì)應(yīng)的最高工作頻率就該是當(dāng)前值的 1.5 倍。另一方面，驅(qū)動(dòng)器外接的鋁電解電容最好選用品質(zhì)較高的產(chǎn)品，不要在市場(chǎng)上隨意采購(gòu)。尤其推薦一些廠家特制的開關(guān)電源專用輸出濾波電容。這類電容在 ESR 方面有優(yōu)勢(shì)。再有就是，如果產(chǎn)品應(yīng)用的溫度范圍很寬。比如野外移動(dòng)使用的電源設(shè)備，可能在極寒酷暑下使用。建議根據(jù)情況留有更加富裕的最大工作頻率欲度。
從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，上述內(nèi)容都是從工程角度出發(fā)概述的，內(nèi)容上不連貫。而一般我們學(xué)東西卻是按照學(xué)科體系去學(xué)的，內(nèi)容前后連續(xù)。所以兩者之間很難同步。如果對(duì) IGBT 不是很熟悉，我想可能是對(duì)大功率設(shè)備接觸不多。建議多關(guān)注一些與基本概念或模型相關(guān)的資料。搞清研究對(duì)象的具體情況，自然就能把相關(guān)各個(gè)學(xué)科的東西結(jié)合到一起。
編輯：黃飛
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