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【原创】大伙来聊聊IGBT可靠性的那些事儿

  • 2014-05-19 09:28
  • 与中非

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        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 的应用越来越多。而与之相应的是IGBT的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。而大功率开关器件的可靠性问题更是重中之重。

        基于这些考虑,本人打算把自己的一些不成熟看法贴出来。这些内容并非来自现有资料或观点的梳理,均系首次提出。希望能依靠其突出的新颖性,全面性,立足于实践的特点,达到抛砖引玉,引出大家对IGBT可靠性相关问题的深入讨论总结的目的。希望大家多多支持关照!

    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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  • 雨树淋风

    LV.1

    2014-05-24 13:06

    @wt.liu

    好好学习,希望能有新突破
    顶楼主,真材实料
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  • 充电修修

    LV.1

    2014-05-24 20:58

    @与中非

    这位朋友过谦了。上面的内容涉及的方面比较杂,跳来跳去的,所以你看起来可能不太适应。如果有什么没说清楚的地方,最好能逐条指出。我好逐条解释下。

    从另一个角度来说,上述内容都是从工程角度出发概述的,内容上不连贯。而一般我们学东西却是按照学科体系去学的,内容前后连续。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。我建议做两件事情。1,多关注一些与基本概念或模型相关的资料。搞清研究对象的具体情况,自然就能把相关各个学科的东西结合到一起。2,您可以关注下我的帖子。我打算陆续推出有关IGBT及其驱动的各类文章。相信内容上还是很实用的。而且多为基于多方面的知识经验,在实践中整合提炼的结果,在这里首次提出。并不是简单的拼凑罗列。所以,无论网上,文献上,还是书上都应该很难见到。如果您把这些内容都看完,再相互穿插一下,相信就都完整了。自然也就清楚了。

    多谢指导!我会努力学习的。作为初学者希望能够讲解一下器件参数的选择,从您的讲解中我明白驱动出现问题比如功率和速率达不到时就会加重IGBT的埙耗而加速埙坏,那么IGBT本身的拖尾时间应该如何去选择?

    我主要学修电磁炉,您就简单讲一下在电磁炉应用中如何选择IGBT。我看它们拖尾时间差别很大

    拖尾时间

    我曾经还有个问题http://www.dianyuan.com/bbs/1483378.html

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  • tianjiu2587

    LV.1

    2014-05-24 21:24

    @与中非

     

    按照我个人的看法,IGBT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,由于参数裕度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。

    (该内容从3帖起。 从18贴起,献上很有用的一部名著《小波十讲》,以及一些有关学习发展方向问题的题外话。)

    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,驱动电路的工作频率(最小脉宽)相对IGBT开关频率(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。

    该内容从22贴起。从29贴起,是关于一些实际问题的讨论互动。)

    这个问题导致的后果是,驱动状态发生波动,系统最坏情况出现概率增加。

    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,导致驱动电路达不到满幅值驱动。

    (该内容从37贴起。)

    这个问题导致的后果是,产品批量一致性降低,系统最坏情况出现概率增加。

    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。

    (该内容从54贴起。)

    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,以及其他各种参数衰退等问题。

    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。 (该内容从76贴起。第80贴附有关于焊接质量相关理论的培训资料。)

    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。 (该内容从86贴起。)

    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。  (该内容从92贴起。)

    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。

    5IGBT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。

     

    本贴内容持续更新中!

    1,IGBT原厂的技术实力。 2,工程师的实际使用设计的技术实力。 

    找到适合本身电路,满足本身产品实际要达到的技术参数。可靠性高的设计。 价格还要OK 的设计,难为工程师了。      

    IGBT 后续的发展,认为必然是欧美的新品牌冒出, 促使原本大佬英飞凌 仙童的价格趋于下走。 带动日韩国产的IGBT 生产,技术提升跟进。 在本身技术不够成熟, 价格又被迫低于国外品牌的形式下, 主流还是欧美系! 低端的家电行业会亲近与国产,韩系。多数拼价格就够了。 加上国内的技术在应用不高的情况下,足可以胜任。

    在技术更新超越原有的英飞凌,仙童很难很难的前提之下。 价格又要低于英飞凌 仙童 10个点左右(甚至更多)才感兴趣去尝试和冒险。 哎。 加上国内品牌之前做的太急,导致的市场反馈恶劣。 不知道国产的IGBT 春天何时能来。  有做IGBT 销售的同行和工厂技术朋友可以加我QQ 840318028  沟通联络。小弟在电焊机市场跑过几年。 了解点皮毛。 乱侃了一通。

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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-24 22:38

    @充电修修

    多谢指导!我会努力学习的。作为初学者希望能够讲解一下器件参数的选择,从您的讲解中我明白驱动出现问题比如功率和速率达不到时就会加重IGBT的埙耗而加速埙坏,那么IGBT本身的拖尾时间应该如何去选择?

    我主要学修电磁炉,您就简单讲一下在电磁炉应用中如何选择IGBT。我看它们拖尾时间差别很大

    拖尾时间

    我曾经还有个问题http://www.dianyuan.com/bbs/1483378.html

    你好,电磁炉这一块我并没有接触过。在这发表一些浅见,希望能给你些参考吧。首先,作为维修而言,我认为应该尽量选择原来的型号,或者是在各方面尽量接近的型号。因为原来的型号是经过设计者的选型以及验证的。包括其他外围电路的各种参数也都和它之间有或多或少的联系。所以应该是尽量接近为好。而不是就单一方面的参数更优为好。如果不知道原来的型号。那么我认为电磁炉里IGBT的工作条件近似于软开关。所以对IGBT特性参数的选择应该没有什么针对性,参数够用即可。反倒是内置的二极管要适当注意选择参数更好一些的。至于IGBT的拖尾时间问题。它在一定程度上反映了IGBT的开关硬度。拖尾时间长的关断柔和不容易出现尖峰过压。当然,损耗也稍微大一些。而在电磁炉这样的工作方式下开关硬度大一些应该不是问题。所以建议选择拖尾时间小的。

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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-24 22:39

    @充电修修

    多谢指导!我会努力学习的。作为初学者希望能够讲解一下器件参数的选择,从您的讲解中我明白驱动出现问题比如功率和速率达不到时就会加重IGBT的埙耗而加速埙坏,那么IGBT本身的拖尾时间应该如何去选择?

    我主要学修电磁炉,您就简单讲一下在电磁炉应用中如何选择IGBT。我看它们拖尾时间差别很大

    拖尾时间

    我曾经还有个问题http://www.dianyuan.com/bbs/1483378.html

    不知道上述回答有没有解决你的问题

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  • Sam_Xiner

    LV.1

    2014-05-25 07:50

    @与中非

    不知道上述回答有没有解决你的问题

    结论差不多,但论述不准确。电磁炉igbt关断是准谐振,本身没尖峰电压,拖尾电流的影响仅仅是功耗影响,我们测试过,这个功耗影响差异也不小。另外,igbt开启会有对谐振电容产生类似短路电流的行为,这个要求igbt短路能力不能太差,而拖尾电流大的igbt在这个参数相对来说也会差。但其实现在各家igbt都开始主流量产fieldstop技术产品,这些参数都已相对以前改善很多,而且各家差异不大,可选择还是很多的,看看规格书的参数就可以选择了。目前国产大部分品牌还是npt技术,要说用也没什么问题,只是npt技术未来成本降低空间有限,必将被取代。
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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-25 09:06

    @Sam_Xiner

    结论差不多,但论述不准确。电磁炉igbt关断是准谐振,本身没尖峰电压,拖尾电流的影响仅仅是功耗影响,我们测试过,这个功耗影响差异也不小。另外,igbt开启会有对谐振电容产生类似短路电流的行为,这个要求igbt短路能力不能太差,而拖尾电流大的igbt在这个参数相对来说也会差。但其实现在各家igbt都开始主流量产fieldstop技术产品,这些参数都已相对以前改善很多,而且各家差异不大,可选择还是很多的,看看规格书的参数就可以选择了。目前国产大部分品牌还是npt技术,要说用也没什么问题,只是npt技术未来成本降低空间有限,必将被取代。
    学习了。只是还有些太明白,还望补充说明下。我昨晚第一次查了电磁炉的原理图,不太清楚它的实际工作过程。IGBT截止的时候应该要保证电流足够大。以至下次导通前,能通过谐振实现IGBT内置二极管的导通钳位。也就是零电压导通啊。那么开启时为什么还会有短路电流呢?
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  • bpmf

    LV.1

    2014-05-25 09:23

    @充电修修

    说的太高深了看不懂怎么办?应该从哪里学起?

    自从看了楼主的贴子,也在网上查看了关于IGBT可靠性的相关论文和贴子,都是从IGBT元件的参数性能工艺等说起。我个人看都是理论层面上的东西,如果是在大功率设备上,就个人经历而言把IGBT作性能指标测试,把指标相近的组合到一起,把隔离驱动参数都留有一定预度,也同样出现工作性能不稳定等问题,要解决IGBT可靠性问题,只有新想法新思路创新。也叫我看到一个希望,人,个有所常,只要有智慧有理想的人走到一起相互支持,一定成其事,有其业,有光明人生。最后不要忘了我,哈哈。

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  • Sam_Xiner

    LV.1

    2014-05-25 12:51

    @与中非

    学习了。只是还有些太明白,还望补充说明下。我昨晚第一次查了电磁炉的原理图,不太清楚它的实际工作过程。IGBT截止的时候应该要保证电流足够大。以至下次导通前,能通过谐振实现IGBT内置二极管的导通钳位。也就是零电压导通啊。那么开启时为什么还会有短路电流呢?
    电磁炉谐振的时候有阻尼损耗(给锅传递能量变成热),所以在谐振能量不够的时候,谐振电容充不满,所以无法保证体二极管导通。简单来说就是谐振电压波谷到不了0v。于是再次导通时,会有谐振电容瞬时充电。这个现象在低功率档时更加明显。在测电流波形时,igbt开启时电流出现很大尖峰,然后才恢复到从0开始爬升。这个电路其实超烂,这里产生的辐射太大了,且对igbt和系统稳定都不好,所以欧美都不用这种电路而是全桥。但是便宜,你懂的。
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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-25 14:35

    @Sam_Xiner

    电磁炉谐振的时候有阻尼损耗(给锅传递能量变成热),所以在谐振能量不够的时候,谐振电容充不满,所以无法保证体二极管导通。简单来说就是谐振电压波谷到不了0v。于是再次导通时,会有谐振电容瞬时充电。这个现象在低功率档时更加明显。在测电流波形时,igbt开启时电流出现很大尖峰,然后才恢复到从0开始爬升。这个电路其实超烂,这里产生的辐射太大了,且对igbt和系统稳定都不好,所以欧美都不用这种电路而是全桥。但是便宜,你懂的。

    奥,原来如此。学习了。谢谢!

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