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IGBT可靠性的那些事儿
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发布者：admin 发布时间：2014-10-13 阅读：261次

随着风力发电，智能电网的建设，电力汽车以及高压变频器等新兴应用的崛起，大功率IGBT的应用越来越多，与此同时IGBT可靠性在大功率电源设计中的重要性随之与日俱增。基于上述新兴应用领域的特殊性，系统可靠性已经成为重要的设计指标之一，而大功率开关器件可靠性问题更是重中之重。
基于IGBT失效机理之应用技术：
器件选用
对于高压大功率的应用来说，隔离质量问题是非常重要的。在高压大功率应用下控制电路会面临更急严峻的干扰问题。而使用光纤则能彻底切断信号通路的干扰。当然，给驱动器后级供电的隔离变压器依旧会存在，但是相对而言在隔离质量上要好处理的多。所以在高压大功率应用下，很多朋友会选择光纤隔离。但是有些问题要注意了。
插拔式的光纤插头对粉尘非常敏感，哪怕很少量的粉尘也会对光纤性能有较大影响，甚至导致失效。所以光是安装时光纤接口干净还不行，安装时空气里的粉尘量也很重要。如果空气不干净，时间长了，粉尘沉积下来也会有问题。再有就是接口的密封质量同样重要。应该足够重视。工作环境的温度，光纤收发器对温度也很敏感。长期工作于高温环境就会老化衰退，乃至失效。而且这个老化过程会伴随着传输延时的增加，需要注意一下。过长的光纤都会被盘起来。但是注意了。弯曲半径不要太小，除了会损坏光纤，对光传输效率也会有影响。光纤的损耗与弯曲半径成反比。半径越小，损耗越大。
因此，在高压大功率场合推荐使用光纤隔离的驱动器，以达到提高隔离质量的目的。还有一个好处，就是可以避免驱动器后级电路逻辑出错所导致的严重后果。但是要注意避免工作于高温高粉尘环境(注意安装时的空气质量)。同时尽量保持大的光纤弯曲半径。光耦和光纤一样怕高温，易老化，可靠性差，共模抑制比还不好。所以除非是成本压力比较大的低压小功率场合。尽量不要用光耦隔离的驱动器，哪怕是用在故障信号反馈等功能。
然后是连接器问题。要说电子产品故障率最高的就是接插件了。如果有条件的话，关键环节的连接最好还是焊接，尽量避免使用接插件。当然，这一点在实际操作层面挺难实现的。如果需要使用接插件，提醒两点，分别是连接器的一致性和稳定性。一致性方面，靠自身金属形变弹力提供接触压力的连接器，就比用螺钉提供接触压力的连接器好。虽然不如后者方便，但是可靠性高，尤其是批量产品的一致性高。稳定性方面，就要尤其注意表面镀层质量。在产品选型时。镀层的材质，强度和厚度都应该注意选择比较。
电容方面。铝电解电容对温度是很敏感的，温度每升高10度，其寿命差不多会折损一半。它的ESR较大，尤其随着老化ESR会越来越大。这一点要尤为注意。建议在选型时选择低内阻的型号。而钽电容的参数要比铝电解好不少。但是有一点，由于钽电容的结缘层厚度比铝电解薄，承受应力的能力就差。所以在超出安全值的工作区间里，其失效概率比铝电解要大。因此参数裕度要比铝电解留得更大一些。而且这个缺点导致了钽电容安全工作电流范围比较小，尤其对脉冲电流的耐受力比较差。综合各方面的因素，作为IGBT驱动器使用的电容，推荐X7R材质的多层瓷片电容。
输出逻辑可靠性
研发大功率IGBT驱动器的过程中，发现了一个问题。那就是驱动器本身的状态锁存器有时会发生逻辑记忆错误。导致驱动器输出的逻辑错误。经过对电路的优化，在试验中就没有再遇到过类似的问题。但是，这只能说明系统的抗扰阈值提高了，故障出现的可能性恐怕不能从根本上被避免。
由此想到了单片机系统不可避免的程序跑飞和死机等问题。不管系统设计多么好，也不能绝对避免这些现象。只是概率很低而已。对于高端的大功率IGBT驱动器，使用脉冲变压器进行隔离的模式似乎是当前普遍采用的方式。而这种形式必须要在输出端一侧使用逻辑锁存器来记录当前的逻辑状态。当接收到隔离变压器发来的脉冲信号后再进行逻辑翻转。一旦这个和IGBT共地的电路系统突然出现类似于单片机系统的逻辑错误，导致IGBT的失效。那么在事后的故障分析中，估计也很难发现是驱动器的原因。
所以在这里，想提醒设计驱动电路的朋友要注意电磁兼容性问题。尤其是逻辑状态锁存器的可靠性。而对于直接应用成品驱动器的朋友，有几点建议：
首先尽量避免驱动器与IGBT的直接连接。一般习惯于驱动器输出串接门极电阻到IGBT的门极(MOSFET的栅极)而输出端的地直接与IGBT射极(MOSFET的源极)相连。个人感觉最好是将门极电阻分成两个串联的电阻，一个串接在门极与输出端，一个串接在射极与输出端地。(对于上升下降沿分别对应一个门极电阻的情况。也可以分出一个公共的电阻串接在射极与输出地之间。)
另外一个方面，建议驱动器输出侧电路板平面的安装位置尽量与距离最近的大电流走线方向保持垂直(也就是与电路板上的线路垂直))，这样可以尽量避免电磁耦合。
耦合电流路径
大型设备的电磁兼容控制和板级电路有很大不同。由于空间尺度更大，所以电磁耦合变得比较突出，异地电势差也比较大。一个比较典型的问题就是连接控制板和驱动器之间的线缆。
一方面，与各种干扰源共处于同一个屏蔽体内，并且长度往往也比较长，这就难免通过空间电磁耦合产生差模干扰。虽然有各种应对办法，但是一般都存在一些局限性，不一定能达到期待的效果。常见的两种情况是：1、采用提高电压阈值的方法对抗干扰。但是这需要在控制板内配置相应的转换电路，以便能输出高压的控制信号。这就使结构复杂化。而且这种做法并不能很好地解决信号传输的可靠性问题。因为耦合进来的电压信号幅度与信号闭合环路构建的曲面面积成比例，也就是近似和线长成比例。那么当信号阈值增加的比例没有超过线缆增长的比例时，就不会有什么优化可言了。2、通过降低信号接收端的阻抗，和提高信号输出端的驱动能力来抵抗干扰这就要求在控制板一侧需要增加更为复杂的接口电路，导致系统复杂化。并且这种电路的响应速度往往会比较慢，还要具备较大的脉冲输出能力。从上文的内容中可以发现，这样的做法存在易老化，传输延时飘移较大，进而导致延时波动范围变大，安全死区时间增加的问题。
另一方面，长线缆对应的高感抗将使隔离变压器两边电压变化产生的干扰电流转换为差模干扰信号。同样导致干扰问题。具体来说就是在一对信号线上，作为地线的一条信号线与干扰源之间存在较低阻抗的电气连接。同时它的长度使它本身具有一定的电感值。在流经较大变化率的干扰电流时会产生比较大的电压。但是作为信号线的一条，由于信号接收端阻抗很高，不是干扰电流的流通路径，因此不会产生电压。这样就导致这个信号线对两端的电位差不一样。这也有误触发的隐患。
由上述可以看出，控制板与驱动器之间的信号线缆过长是一个比较严重的问题。而这个线缆如果很短，就意味着要么控制板与大功率开关器件距离很近，要么驱动器输出与大功率开关器件距离很远。前者会对主控电路造成比较大的干扰。后者会由于驱动峰值电流很大，加上线缆过长导致的感抗增加，造成驱动质量不良。都是很严重的问题。所以像光纤隔离那样，中间由不怕干扰的光纤将驱动器分成安装位置相距较远的两部分，是非常合适的结构。在大功率场合非常必要。
干扰电流引导
通过合理的接地处理是可以优化耦合电流对控制板相关电路的干扰的，也是将该干扰电流引走，使它不经过控制板电路。具体来说就是把它引回到它的源头去。由于电场的建立需要等量的异种电荷。因此对驱动器的电荷补充必然导致电源侧的电荷缺失。实际中，这个电荷的缺失是要通过各种杂散参量组成的电荷路径从周边环境(包括地)中汲取回来的。而不同途径提供电荷量的比例，自然是决定于各路径阻抗的大小。如果为建设一条低阻抗的电荷路径连接在，害怕受到干扰的敏感电路入口与干扰源的源头之间。那么干扰电流就会抄近道回到干扰源而不对敏感设备造成影响。很明显，这个通路应该是驱动器与控制板连接处的地到它所驱动的IGBT(MOSFET)周边最近的接地屏蔽体处。但是这里一定要注意，不要把其他干扰从这个屏蔽体引到控制板。所以，常用的对策就是在这两点之间串接一个并联了电阻的高频瓷片电容。具体的阻值和容值就要根据具体情况设定了。另外注意线材一定使用尽量短的多股软线，以便进一步降低阻抗。需要注意的一点是，由于控制板的电源一般是隔离的开关电源。所以有些系统的主控板往往是悬浮地。这在高压大功率场合不太合适。很可能累积静电，导致故障。但是冒然接地又有可能引入干扰。所以，推荐对主控板以上述的方式，接地于功率电路的接地屏蔽体。并且保持一个接地点。
总结
综上所述，驱动器与控制板之间的线缆不能过长，否则就存在引入干扰，导致误触发的风险。鉴于驱动器输出与功率器件之间的距离也不能太远，建议采用光纤隔离驱动器的那种一分为二，中间通过不怕干扰的光纤进行连接的方式。另外，建议按照上述方法补充一个接地，以便旁路耦合电流对控制板的影响。