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IGBT 模块可靠性经验分享

2019-01-02 11:07:36 Westpac Electronics

IGBT 模块可靠性经验分享

随着风力发电、智能电网建设、电力汽车、高压变频器等新兴应用的崛起, 大功率 IGBT 模块 的应用越来越多。而与之相应的是 IGBT 可靠性在大功率电源 设计中的重要性与日俱增。本人甚至认为基于上述新兴应用领域的特殊性。系统 可靠性已经成为最重要的设计指标之一。而大功?#22763;?#20851;器件的可靠性问题更是重 中之重。

IGBT 模块失效的机理大致可以分作两大类共九个方面。他们分别是;

第一类,由于?#38382;?#20313;量不足导致的四个问题;

1. 变压器结电容相对于电压变化率过大,导致的耦合电流干扰问题。这个 问题导致的后果是,输出逻辑错误,控制电路被干扰,电路失效等。

2. 驱动电路的工作?#24503;?最小脉宽)相对 IGBT 开关?#24503;?占空比范围)不 足,或辅助电源平均输出功率不足,导致的输出不稳定。这个问题导致的后果是, 驱动状态发生波动,系统最坏情况出?#25351;?#29575;增加。

3. 驱动电路输出电压的上升下降沿速率与 IGBT 开关速率不匹配,或辅助电 源峰值功率不足,导致驱动电?#21453;?#19981;到满幅值驱动。这个问题导致的后果是,产 品批量一致性?#26723;停?#31995;统最坏情况出?#25351;?#29575;增加。

4. 驱动芯片的额定输出功率密度相对不足,导致的器件老化加速。 这个问题导致的后果是,延迟时间增加导致死区时间相对不足。 第二类,与应用技术相关的五个问题;

1. 器件选用方面的问题。包括:储能电容的可靠性问题;电容等效直流电 阻问题;光敏器件老化与可靠性问题;光线接口的环境粉尘及接口机械强度等问 题。

2. 输出逻辑可靠性方面的问题。包括;存储器逻辑错误的一些建议措施; 驱动板安装位置建议。

3. 耦合电流路径方面的问题。包括;各单元安装环境,位置。接地问题, 耦合电流引导问题,系统敏感带宽,闩锁,电源完整性问题。

4. 输出电阻取值方面的问题。包括;取值上限的制约因素,取值下限的制 约因素,IGBT 温度与取值区间的关系。

5. IGBT 安装方面的问题。包括;由于热或机械应力不均导致的失效;热阻 及散热条件均匀性导致的失效。
下面逐条具体说明一下;

一、变压器结电容相对于电压变化率过大,导致的耦合电流干扰问题。

说起驱动器的隔离效果,一些朋友往往想到?#38382;?#25163;册中指出的隔离耐压,或 者是能承受的最大电压变化率。但是,这些?#38382;?#23454;质上是指驱动在什么样的工作 条件下不会被损坏。而不是指驱动器的隔离效果。任何驱动器,包括使用光隔离 的驱动器。都至少要有为输出级提供电源的隔离变压器。而变压器本身必然会存 在原边与副边之间的耦合电容。当 IGBT 的开关过程导致两边电压出现较大变化 率的时候。该电容的充放电必然会产生一个电流。这也将导致变压器两侧共地的

电路被干扰。
IGBT 的集电极电压变化率,取决于与门极间等效电容在驱动电流作用下对

应的电压变化率。当 IGBT 门极电压变化到门极电流与工作电流相当的时刻,门 极电压将不再变化。驱动器输出的电流将对门极和集电极之间的等效电容充放电, 实现门极电位的变化。因此这个电位变化过程本身是对应于该条件下对电容的恒 流充电过程,其开始和结束都是近似于阶跃性质的。因此,总体上该干扰电流的 函数具有门函数的特征。

对于该干扰电流对电路系统影响的分析。应该采用类似小波变换的各类分析 工具,从瞬时频谱分析的角度去识别那些携带能量较多的瞬时?#24503;?#20998;量的特征。 而不应该是采用基于傅氏变换的全时域分析。原因是这一类全时域分析的结果实 质上是在瞬时频域分析结果的基础上,进一步在时间上求平均的结果。这将导致 信号实时特征的畸变和丢失。不能真?#26723;?#21453;映问题。不管采用何种瞬时?#24503;?#20998;析 方法都将与宏观上的电流函数特征相接近。那就是主要的瞬时?#24503;?#25104;分存在于门 函数周期对应的?#24503;实?#20197;上,且较为接近。同时由于上升下降沿的存在。在相对 较高的频?#25105;?#21547;有相当一部分分量。这就使该干扰电流的主要瞬时?#24503;?#20998;量集中 在低频和高频两大部分。其中,低频部分的?#24503;?#22823;?#29575;?#23545;应 IGBT 上升下降时间 所决定的电流?#20013;?#26102;间。在数百纳秒至数微秒量级,大致对应 1 10 兆?#20806;日?一区间。而高频部分则是来自门函数的上升下降沿速率决定的?#24503;省?#20294;这主要取 决于耦合通路自身的?#24503;?#29305;性。应该是明显高于低频部分的。进一步考虑到?#23548;??#24615;由?#21442;量对该电流的低通能力。?#23548;?#20013;的高频分量应?#20040;?#20110;数百兆?#20806;?#30340;水平。 而 1 10 兆?#20806;?#21448;是一个比较敏感的频段。它是 pcb layout 中共点接地和多点 接地的混叠区间。这意味着地线系统中感抗成分达到甚至超越阻抗成分成为主要 因素。电流的分布路径变得更加复杂且相对比较集中。由于该频段下线路的感抗 特征和阻抗特征都比较明显,但还没有高至?#30001;?#30005;容发挥作用,因此表现出的线 路电抗值是比较大的。在相互连接的两点之间具?#24863;?#25104;较大电压的条件。这部分

的干扰电流虽然占据主体,能量很大。但是频段相?#36234;系停?#20027;要的影响还是集中 在信号收发端之间形成的地电势差上。这将导?#29575;中?#21495;电平判定阈值裕度的损 失。使发生逻辑错误的概率提高。

数百兆?#20806;?#30340;高频分量,将表现出明显的高频电流特征。并且应该是高于或 接近多数主控芯片的工作?#24503;省?#22823;家知道,高频数字电?#20998;?#21435;耦电容的谐振?#24503;?应该是以电路最高工作?#24503;?#20316;为最佳点。而如果干扰电流的?#24503;?#39640;于电路最高工 作?#24503;?#21017;很可能使去耦电容表现为感性。结果是在电流对电路整体补充电荷?#28304;?/span>

成电荷平衡(形成等势体)的过程中,会导致电源电压的较大波动(尤其是电路 接地处理不良的时候)。从该电流的功率级别来讲,由于是来自 IGBT 的开关动 作。因?#21496;?#26377;电流源性质。其能量足以引发电源完整性问题。比如 CMOS 器件最 危险的闩锁问题。其危害之大是可想而知的。

?#26723;?#39064;外话。电子产品的任何技术?#38382;?#37117;是在指定的测试条件下才有意义的。 有一个故事,说 ADI 曾推出一款当时号称?#30340;?#22122;声最小的运算放大器。但是有使 用者发现,在其设?#39057;?#20135;?#20998;?#25442;用该运放后的实测噪声,并不比原来的运放小。 进一步分析才发现,这个运放指出的噪声?#38382;?#26159;在典型的测试频段下测得的。而 在该使用者?#23548;?#20351;用的频段下却并没有优势。这个事例说明,理解产品的一个参 数必须置于?#23548;是?#20917;之下。数据,有时仅仅是一?#20540;?#22411;代表,并不具有太多?#23548;?意义。就比如说这里的变压器结电容。很多驱动产品给出的数值都是很低的。但 是?#23548;?#20013;如此量级的电容值在实物测试时,必然受到电路?#30001;?#30005;感等因素的影响。 而理论值往往又难逃理想化模型的影响。所以该数值的参考意义大于?#23548;?#24847;义。 如果你要对比结电容这一?#38382;?#24314;议同时比较产品的变压器结构,以便辅助判断 结电容谁高谁低。

综上所述,IGBT 开关过程所导致的变压器结电容充放电电流对与之共地的 电路系?#36710;?#24433;响是很大的。在选择 IGBT 驱动器的时候,需要根据系?#36710;氖导是?况充分考虑该因素。对于控制电路复杂的系统要尤为注意。需要说明的是。比较 不同驱动器在这一方面的差异时,不能仅注意结电容的数值。需要格外关注其变 压器结构上的差异。?#27604;?#23545;于成熟的驱动产品。相信不同级别的驱动器必然有不 同级别的隔离能力。只要不出?#20013;?#39532;拉大车的情况即可。但是对于自?#39057;?#39537;动产 品就很有必要比较与同类成熟产?#20998;?#38388;在变压器结构上的差异。比如?#35889;?#30340;间距, ?#35889;橥队?#38754;积,?#35889;?#32467;构等因素。以便实现比较可靠的自我评?#39304;?#20999;不可仅仅以 实测的电容值作为唯一比较?#38382;?/span>

?#26723;?#30636;时频谱方面的问题。给大家献上一本《小波十讲》。在?#23548;?#20013;大家未

必会用到这些方法。但是,我想数学的意义并不是方法本身,而是思想。这本书 非常经典,绝对?#26723;?#25910;藏!相信研读它对提升工程能力,明晰基本概念,必有裨 益。其实,电子技术的学科体系根基之一就是对频谱的认识。而现代技术发展趋 势和市场需求趋势都指向了瞬态问题的处理。这使得习惯了传?#36710;?#22522;于稳态频谱 分析思路的朋友,在处理日渐突出的瞬态问题时往往会面对惯性思维带来的困扰。 就如上文提到的对于 IGBT 开关动作产生的耦合电流对电路系?#36710;?#24433;响问题。用 瞬态的观点和稳态的观点得出的结论是大不相同的。如果概念模糊,分析问题的 基本方法有问题,就很容易出现错误。在技术问题上,结论和规则是次要?#27169;?#22240; 为具体条件变化不定。但是思路和方法是重要?#27169;?#22240;为万变不离其中。所以非常 期望和大家共同探讨一些技术问题的观点思路,深层机理。相信帮助会更大的。

?#26723;?#36825;里,再说些题外话。和一些刚毕业的朋?#21387;低ǎ?#24448;往会觉得他们对外 界大环?#36710;?#35748;识和自身发?#20849;?#30053;的规划上把握不好。其?#31561;魏问?#24773;都不能脱离大 ?#23576;?#29420;立运行。如果从一生的职业生?#30446;?#24230;上看问题就必须立足于大?#23576;?#30340;趋势。 企业也好,个人也罢。如果总用静态的眼光看事做事,难免落后一?#27169;?#22788;于被动。 我个人的浅见,隐隐觉得。随着国内人口红利的耗尽和经济?#23576;?#30340;变化,未来企 业的?#36203;?#21147;,亦或技术人员的?#36203;?#21147;都将集中于产品定义的创新和产品可靠性的 升级两方面,而以往的面向节约成本或解决有无的复制性研发将不再具有太大的 ?#36203;?#21147;。从技术层面看,社会大趋势决定了未来世界是建立在电力能源的基础上, 在高度智能化?#23576;?#19979;,整合机器视觉,运动控制技术等要素成为替代石油,电信 等业务的新兴经济增长点。所以,电源行业的技术人?#34987;?#35768;进入一个朝阳产业通 ?#39304;?#20294;前提是,你的专长不是以?#32479;?#26412;开发类?#39057;?#20135;品,而是以高可靠性开发, 赋予产品新的技术特点。以迎合市场需要。这就需要更加深入地理解概念实质, 理解可靠性制约因素。

二、驱动电路的工作?#24503;?最小脉宽)相对 IGBT 开关?#24503;?占空比范围)不足, 或辅助电源平均输出功率不足,导致的输出不稳定。

不知道大家是否有一个疑问。一般来讲限制输出?#24503;?#30340;因素是响应速度和耗 散功率。但是相比之下很多驱动产品的规定输出?#24503;?#19978;限却显得小了很多。这是 为什么呢?原因之一,是驱动器经过一?#38382;?#20986;翻转后并不能马上?#25351;?#31283;态。如果 在驱动器进入稳态前再?#38382;?#20986;翻转,则会引发一些可靠性问题。

另外一个方面是结型晶体管的存储电荷问题。由于控制方式上的优势,驱动 电?#20998;?#24448;往包含有双结型晶体管而非全部是场效应管。双结型晶体管有一个特点, 就是它的关断过程?#35272;?#20110;流经的电荷总量。这个过程也就是基极存储电荷的耗尽

过程。而驱动器的输出并不是连续?#27169;?#22312;达到给定电位后就不再有输出。这实质 上斩断了存储电荷释放的渠?#39304;?#22240;此很多时候驱动器在一?#38382;?#20986;以后需要很长的 时间来耗尽存储电荷。如果在它?#25351;?#33267;稳态前再?#38382;?#20986;翻转。则可能导致响应迟 缓,输出幅度不足和耗散功率的骤增等问题。这里需要说明的是,如果上述机理 是一款驱动器输出?#24503;?#30340;主要限制因素,那么?#20204;?#21160;器的极限工作?#24503;?#19982;温度的 相关性就会比较大。与之相应地就要注意最高工作?#24503;?#30340;?#23548;什?#35797;温度,?#20204;?#30041; ?#24615;?#24230;。

综上所述,驱动器输出?#24503;?#24212;当留有一定的裕度。最?#23186;?#21344;空比变化率计算 在内。举例来说,如果占空比在相邻两个周期间,可能从 33%突变至 66%。那么 对应的最高工作?#24503;示?#35813;是当前值的 1.5 倍。另一方面,驱动器外接的铝电解电 容最好选用?#20998;?#36739;高的产品,不要在市场上随意采购。尤其推荐一些厂家特?#39057;?开关电源专用输出滤波电容。这类电容在 ESR 方面有优势。再有就是,如果产品 应用的温度范围很宽。比如野外移动使用的电源设备,可能在极寒酷暑?#29575;?#29992;。 建议根据情况留有更加富裕的最大工作?#24503;视?#24230;。

从另一个角度来说,上述内容都是从工程角度出发概述?#27169;?#20869;容上不连贯。 而一般我们学东西却是按照学科体?#31561;?#23398;?#27169;?#20869;容前后连续。所以两者之间很难 同步。如果您对 IGBT 不是很熟悉,我想可能是您对大功率设备接触不多。建议 多关注一些与基本概念或模型相关的资料。搞清?#33455;?#23545;象的具体情况,?#21248;?#23601;能 把相关各个学?#39057;?#19996;西结?#31995;?#19968;起。


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