IGBT 模塊可靠性

——青島佳恩半導體有限公司 ——

隨著風力發電、智能電網建設、電力汽車、高壓變頻器等新興應用的崛起，大功率 IGBT 模塊的應用越來越多。而與之相應的是 IGBT 可靠性在大功率電源設計中的重要性與日俱增。甚至基于上述新興應用領域的特殊性，系統可靠性已經成為最重要的設計指標之一。而大功率開關器件的可靠性問題更是重中之重。

IGBT 模塊失效的機理大致可以分作兩大類共九個方面。他們分別是：

第一類，由于參數余量不足導致的四個問題。

1. 變壓器結電容相對于電壓變化率過大，導致的耦合電流干擾問題。這個問題導致的后果是，輸出邏輯錯誤，控制電路被干擾，電路失效等。

2. 驅動電路的工作頻率（最小脈寬）相對 IGBT 開關頻率（占空比范圍）不足，或輔助電源平均輸出功率不足，導致的輸出不穩定。這個問題導致的后果是，驅動狀態發生波動，系統最壞情況出現概率增加。

3. 驅動電路輸出電壓的上升下降沿速率與 IGBT 開關速率不匹配，或輔助電源峰值功率不足，導致驅動電路達不到滿幅值驅動。這個問題導致的后果是，產品批量一致性降低，系統最壞情況出現概率增加。

4. 驅動芯片的額定輸出功率密度相對不足，導致的器件老化加速。這個問題導致的后果是，延遲時間增加導致死區時間相對不足。

第二類，與應用技術相關的五個問題。

1. 器件選用方面的問題。包括：儲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；光線接口的環境粉塵及接口機械強度等問題。

2. 輸出邏輯可靠性方面的問題。包括：存儲器邏輯錯誤的一些建議措施，驅動板安裝位置建議。

3. 耦合電流路徑方面的問題。包括：各單元安裝環境，位置。接地問題，耦合電流引導問題，系統敏感帶寬，閂鎖，電源完整性問題。

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 溫度與取值區間的關系。

5. IGBT 安裝方面的問題。包括：由于熱或機械應力不均導致的失效，熱阻及散熱條件均勻性導致的失效。

下面選兩點具體說明一下：

一、變壓器結電容相對于電壓變化率過大，導致的耦合電流干擾問題。

說起驅動器的隔離效果，一些朋友往往想到參數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，這些參數實質上是指驅動在什么樣的工作條件下不會被損壞，而不是指驅動器的隔離效果。任何驅動器，包括使用光隔離的驅動器，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存在原邊與副邊之間的耦合電容。當 IGBT 的開關過程導致兩邊電壓出現較大變化率的時候，該電容的充放電必然會產生一個電流。這也將導致變壓器兩側共地的電路被干擾。

IGBT 的集電極電壓變化率，取決于與門極間等效電容在驅動電流作用下對應的電壓變化率。當 IGBT 門極電壓變化到門極電流與工作電流相當的時刻，門極電壓將不再變化。驅動器輸出的電流將對門極和集電極之間的等效電容充放電，實現門極電位的變化。因此這個電位變化過程本身是對應于該條件下對電容的恒流充電過程，其開始和結束都是近似于階躍性質的。因此，總體上該干擾電流的函數具有門函數的特征。

對于該干擾電流對電路系統影響的分析。應該采用類似小波變換的各類分析工具，從瞬時頻譜分析的角度去識別那些攜帶能量較多的瞬時頻率分量的特征。而不應該是采用基于傅氏變換的全時域分析。原因是這一類全時域分析的結果實質上是在瞬時頻域分析結果的基礎上，進一步在時間上求平均的結果。這將導致信號實時特征的畸變和丟失，不能真實地反映問題。不管采用何種瞬時頻率分析方法都將與宏觀上的電流函數特征相接近。那就是主要的瞬時頻率成分存在于門函數周期對應的頻率點以上，且較為接近。同時由于上升下降沿的存在。在相對較高的頻段也含有相當一部分分量。這就使該干擾電流的主要瞬時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 IGBT 上升下降時間所決定的電流持續時間。在數百納秒至數微秒量級，大致對應 1 至 10 兆赫茲這一區間。而高頻部分則是來自門函數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。應該是明顯高于低頻部分的。進一步考慮到實際中雜散參量對該電流的低通能力。實際中的高頻分量應該處于數百兆赫茲的水平。而 1 至 10 兆赫茲又是一個比較敏感的頻段。它是 pcb layout 中共點接地和多點接地的混疊區間。這意味著地線系統中感抗成分達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揮作用，因此表現出的線路電抗值是比較大的。在相互連接的兩點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收發端之間形成的地電勢差上。這將導致數字信號電平判定閾值裕度的損失。使發生邏輯錯誤的概率提高。

數百兆赫茲的高頻分量，將表現出明顯的高頻電流特征。并且應該是高于或接近多數主控芯片的工作頻率。大家知道，高頻數字電路中去耦電容的諧振頻率應該是以電路最高工作頻率作為最佳點。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為感性。結果是在電流對電路整體補充電荷以達成電荷平衡（形成等勢體）的過程中，會導致電源電壓的較大波動（尤其是電路接地處理不良的時候）。從該電流的功率級別來講，由于是來自 IGBT 的開關動作。因此具有電流源性質。其能量足以引發電源完整性問題。比如 CMOS 器件最危險的閂鎖問題。其危害之大是可想而知的。

說點題外話。電子產品的任何技術參數都是在指定的測試條件下才有意義的。數據，有時僅僅是一種典型代表，并不具有太多實際意義。就比如說變壓器結電容，很多驅動產品給出的數值都是很低的。但是實際中如此量級的電容值在實物測試時，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。所以該數值的參考意義大于實際意義。如果你要對比結電容這一參數，建議同時比較產品的變壓器結構，以便輔助判斷結電容誰高誰低。

綜上所述，IGBT 開關過程所導致的變壓器結電容充放電電流對與之共地的電路系統的影響是很大的。在選擇 IGBT 驅動器的時候，需要根據系統的實際情況充分考慮該因素。對于控制電路復雜的系統要尤為注意。需要說明的是。比較不同驅動器在這一方面的差異時，不能僅注意結電容的數值。需要格外關注其變壓器結構上的差異。當然對于成熟的驅動產品。相信不同級別的驅動器必然有不同級別的隔離能力。只要不出現小馬拉大車的情況即可。但是對于自制的驅動產品就很有必要比較與同類成熟產品之間在變壓器結構上的差異。比如繞組的間距，繞組投影面積，繞組結構等因素。以便實現比較可靠的自我評估。切不可僅僅以實測的電容值作為唯一比較參數。

就如上文提到的對于 IGBT 開關動作產生的耦合電流對電路系統的影響問題。用瞬態的觀點和穩態的觀點得出的結論是大不相同的。如果概念模糊，分析問題的基本方法有問題，就很容易出現錯誤。在技術問題上，結論和規則是次要的，因為具體條件變化不定。但是思路和方法是重要的，因為萬變不離其中。所以非常期望和大家共同探討一些技術問題的觀點思路，深層機理。相信幫助會更大的。

二、驅動電路的工作頻率（最小脈寬）相對 IGBT 開關頻率（占空比范圍）不足，或輔助電源平均輸出功率不足，導致的輸出不穩定。

不知道大家是否有一個疑問。一般來講限制輸出頻率的因素是響應速度和耗散功率。但是相比之下很多驅動產品的規定輸出頻率上限卻顯得小了很多。這是為什么呢？原因之一，是驅動器經過一次輸出翻轉后并不能馬上恢復穩態。如果在驅動器進入穩態前再次輸出翻轉，則會引發一些可靠性問題。

另外一個方面是結型晶體管的存儲電荷問題。由于控制方式上的優勢，驅動電路中往往包含有雙結型晶體管而非全部是場效應管。雙結型晶體管有一個特點，就是它的關斷過程依賴于流經的電荷總量。這個過程也就是基極存儲電荷的耗盡過程。而驅動器的輸出并不是連續的，在達到給定電位后就不再有輸出。這實質上斬斷了存儲電荷釋放的渠道。因此很多時候驅動器在一次輸出以后需要很長的時間來耗盡存儲電荷。如果在它恢復至穩態前再次輸出翻轉。則可能導致響應遲緩，輸出幅度不足和耗散功率的驟增等問題。這里需要說明的是，如果上述機理是一款驅動器輸出頻率的主要限制因素，那么該驅動器的極限工作頻率與溫度的相關性就會比較大。與之相應地就要注意最高工作頻率的實際測試溫度，酌情留有裕度。

綜上所述，驅動器輸出頻率應當留有一定的裕度。最好將占空比變化率計算在內。舉例來說，如果占空比在相鄰兩個周期間，可能從 33%突變至 66%。那么對應的最高工作頻率就該是當前值的 1.5 倍。另一方面，驅動器外接的鋁電解電容最好選用品質較高的產品，不要在市場上隨意采購。尤其推薦一些廠家特制的開關電源專用輸出濾波電容。這類電容在 ESR 方面有優勢。再有就是，如果產品應用的溫度范圍很寬。比如野外移動使用的電源設備，可能在極寒酷暑下使用。建議根據情況留有更加富裕的最大工作頻率欲度。

從另一個角度來說，上述內容都是從工程角度出發概述的，內容上不連貫。而一般我們學東西卻是按照學科體系去學的，內容前后連續。所以兩者之間很難同步。如果對 IGBT 不是很熟悉，我想可能是對大功率設備接觸不多。建議多關注一些與基本概念或模型相關的資料。搞清研究對象的具體情況，自然就能把相關各個學科的東西結合到一起。

編輯：黃飛

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