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 的應(yīng)用越來越多。而與之相應(yīng)的是IGBT的可靠性在大功率電源設(shè)計(jì)中的重要性與日俱增。本人甚至認(rèn)為基于上述新興應(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)器件的可靠性問題更是重中之重。
基于這些考慮，本人打算把自己的一些不成熟看法貼出來。這些內(nèi)容并非來自現(xiàn)有資料或觀點(diǎn)的梳理，均系首次提出。希望能依靠其突出的新穎性，全面性，立足于實(shí)踐的特點(diǎn)，達(dá)到拋磚引玉，引出大家對IGBT可靠性相關(guān)問題的深入討論總結(jié)的目的。希望大家多多支持關(guān)照！
按照我個(gè)人的看法，IGBT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)裕度不足導(dǎo)致的四個(gè)問題；
1，變壓器結(jié)電容相對于電壓變化率過大，導(dǎo)致的耦合電流干擾問題。
（該內(nèi)容從3帖起。 從18貼起，獻(xiàn)上很有用的一部名著《小波十講》，以及一些有關(guān)學(xué)習(xí)發(fā)展方向問題的題外話。）
這個(gè)問題導(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。
（該內(nèi)容從22貼起。從29貼起，是關(guān)于一些實(shí)際問題的討論互動(dòng)。）
這個(gè)問題導(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)。
（該內(nèi)容從37貼起。）
這個(gè)問題導(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不足，導(dǎo)致的器件老化加速。
(該內(nèi)容從54貼起。）
這個(gè)問題導(dǎo)致的后果是，延遲時(shí)間增加導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間相對不足，以及其他各種參數(shù)衰退等問題。
第二類，與應(yīng)用技術(shù)相關(guān)的五個(gè)問題；
1，器件選用方面的問題。包括：儲(chǔ)能電容的可靠性問題；電容等效直流電阻問題；光敏器件老化與可靠性問題；光線接口的環(huán)境粉塵及接口機(jī)械強(qiáng)度等問題。 (該內(nèi)容從76貼起。第80貼附有關(guān)于焊接質(zhì)量相關(guān)理論的培訓(xùn)資料。）
2，輸出邏輯可靠性方面的問題。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。 (該內(nèi)容從86貼起。）
3，耦合電流路徑方面的問題。包括；各單元安裝環(huán)境，位置。接地問題，耦合電流引導(dǎo)問題，系統(tǒng)敏感帶寬，閂鎖，電源完整性問題。 (該內(nèi)容從92貼起。）
4，輸出電阻取值方面的問題。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。
本貼內(nèi)容持續(xù)更新中！
下面逐條具體說明一下；
1，變壓器結(jié)電容相對于電壓變化率過大，導(dǎo)致的耦合電流干擾問題。
說起驅(qū)動(dòng)器的隔離效果，一些朋友往往想到參數(shù)手冊中指出的隔離耐壓，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)電位變化過程本身是對應(yīng)于該條件下對電容的恒流充電過程，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。
對于該干擾電流對電路系統(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，大致對應(yīng)1至10兆赫茲這一區(qū)間。而高頻部分則是來自門函數(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)果是在電流對電路整體補(bǔ)充電荷以達(dá)成電荷平衡（形成等勢體）的過程中，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）。從該電流的功率級別來講，由于是來自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)電源完整性問題。比如CMOS器件最危險(xiǎn)的閂鎖問題。其危害之大是可想而知的。
支持！說點(diǎn)題外話。電子產(chǎn)品的任何技術(shù)參數(shù)都是在指定的測試條件下才有意義的。有一個(gè)故事，說ADI曾推出一款當(dāng)時(shí)號(hào)稱業(yè)內(nèi)噪聲最小的運(yùn)算放大器。但是有使用者發(fā)現(xiàn)，在其設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中換用該運(yùn)放后的實(shí)測噪聲，并不比原來的運(yùn)放小。進(jìn)一步分析才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)運(yùn)放指出的噪聲參數(shù)是在典型的測試頻段下測得的。而在該使用者實(shí)際使用的頻段下卻并沒有優(yōu)勢。這個(gè)事例說明，理解產(chǎn)品的一個(gè)參數(shù)必須置于實(shí)際情況之下。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。就比如說這里的變壓器結(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)際中如此量級的電容值在實(shí)物測試時(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)電容誰高誰低。
綜上所述，IGBT開關(guān)過程所導(dǎo)致的變壓器結(jié)電容充放電電流對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。對于控制電路復(fù)雜的系統(tǒng)要尤為注意。需要說明的是。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)然對于成熟的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。相信不同級別的驅(qū)動(dòng)器必然有不同級別的隔離能力。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)比較可靠的自我評估。切不可僅僅以實(shí)測的電容值作為唯一比較參數(shù)。
說到瞬時(shí)頻譜方面的問題。給大家獻(xiàn)上一本《小波十講》。在實(shí)際中大家未必會(huì)用到這些方法。但是，我想數(shù)學(xué)的意義并不是方法本身，而是思想。這本書非常經(jīng)典，絕對值得收藏！相信研讀它對提升工程能力，明晰基本概念，必有裨益。其實(shí)，電子技術(shù)的學(xué)科體系根基之一就是對頻譜的認(rèn)識(shí)。而現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展趨勢和市場需求趨勢都指向了瞬態(tài)問題的處理。這使得習(xí)慣了傳統(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)頻譜分析思路的朋友，在處理日漸突出的瞬態(tài)問題時(shí)往往會(huì)面對慣性思維帶來的困擾。就如上文提到的對于IGBT開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的耦合電流對電路系統(tǒng)的影響問題。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，分析問題的基本方法有問題，就很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。在技術(shù)問題上，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變不離其中。所以非常期望和大家共同探討一些技術(shù)問題的觀點(diǎn)思路，深層機(jī)理。相信幫助會(huì)更大的。
說到這里，再說些題外話。和一些剛畢業(yè)的朋友溝通，往往會(huì)覺得他們對外界大環(huán)境的認(rèn)識(shí)和自身發(fā)展策略的規(guī)劃上把握不好。其實(shí)任何事情都不能脫離大背景獨(dú)立運(yùn)行。如果從一生的職業(yè)生涯跨度上看問題就必須立足于大背景的趨勢。企業(yè)也好，個(gè)人也罷。如果總用靜態(tài)的眼光看事做事，難免落后一拍，處于被動(dòng)。我個(gè)人的淺見，隱隱覺得。隨著國內(nèi)人口紅利的耗盡和經(jīng)濟(jì)背景的變化，未來企業(yè)的競爭力，亦或技術(shù)人員的競爭力都將集中于產(chǎn)品定義的創(chuàng)新和產(chǎn)品可靠性的升級兩方面，而以往的面向節(jié)約成本或解決有無的復(fù)制性研發(fā)將不再具有太大的競爭力。從技術(shù)層面看，社會(huì)大趨勢決定了未來世界是建立在電力能源的基礎(chǔ)上，在高度智能化背景下，整合機(jī)器視覺，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等要素成為替代石油，電信等業(yè)務(wù)的新興經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。所以，電源行業(yè)的技術(shù)人員或許進(jìn)入一個(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)通道。但前提是，你的專長不是以低成本開發(fā)類似的產(chǎn)品，而是以高可靠性開發(fā)，賦予產(chǎn)品新的技術(shù)特點(diǎn)。以迎合市場需要。這就需要更加深入地理解概念實(shí)質(zhì)，理解可靠性制約因素。
不知道大家是否有一個(gè)疑問。一般來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)一些可靠性問題。
這位朋友過謙了。上面的內(nèi)容涉及的方面比較雜，跳來跳去的，所以你看起來可能不太適應(yīng)。如果有什么沒說清楚的地方，最好能逐條指出。我好逐條解釋下。
從另一個(gè)角度來說，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。如果您對IGBT不是很熟悉，我想可能是您對大功率設(shè)備接觸不多。我建議做兩件事情。1，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。2，您可以關(guān)注下我的帖子。我打算陸續(xù)推出有關(guān)IGBT及其驅(qū)動(dòng)的各類文章。相信內(nèi)容上還是很實(shí)用的。而且多為基于多方面的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中整合提煉的結(jié)果，在這里首次提出。并不是簡單的拼湊羅列。所以，無論網(wǎng)上，文獻(xiàn)上，還是書上都應(yīng)該很難見到。如果您把這些內(nèi)容都看完，再相互穿插一下，相信就都完整了。自然也就清楚了。
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