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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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  • 电源网-娜娜姐

    LV.1

    2014-05-26 17:22

    @与中非

    感谢老师的支持。这使我倍感动力!
    楼主加油,很不错的帖子!
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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-26 17:53

    @电源网-娜娜姐

    楼主加油,很不错的帖子!

    首长放心,一定再接再厉。

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  • bpmf

    LV.1

    2014-05-27 08:43

    @便捷飞翔

    我觉得IGBT一直在上升的趋势。而我们公司的产品都是从国外进口的。给工厂商也是不错的口碑。
    你好,你觉得IGBT一直在上升的趋势,不知方变否,应用在那个行业,或什么地方。能否告述我,谢谢。
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  • bpmf

    LV.1

    2014-05-27 10:17

    @便捷飞翔

    我觉得IGBT一直在上升的趋势。而我们公司的产品都是从国外进口的。给工厂商也是不错的口碑。
    你好,你觉得IGBT一直在上升的趋势,不知方变否,应用在那几个行业,或什么地方。能否告述我,谢谢
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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-27 16:08

    @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!

    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。

    我在研发大功率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。但是我想,这只能说明系统的抗扰阈值提高了。这个故障出现的可能性恐怕不能从根本上被避免。

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  • 与中非

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    2014-05-27 16:08

    @与中非

    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。

    我在研发大功率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。但是我想,这只能说明系统的抗扰阈值提高了。这个故障出现的可能性恐怕不能从根本上被避免。

    我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。
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    2014-05-27 16:09

    @与中非

    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。

    我在研发大功率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。但是我想,这只能说明系统的抗扰阈值提高了。这个故障出现的可能性恐怕不能从根本上被避免。

    当然把这种现象与单片机系统相比,也不完全合理。首先,有利的一面是。这个逻辑系统毕竟比单片机系统简单很多。因此被扰动的概率要相对低一些。尤其这个系统其实并不会因为瞬态的逻辑错误导致严重故障。因此只要保证逻辑记忆这一个环节不出问题即可。但是不利的一面是,它和能量巨大且工作于开关状态的IGBT有直接的电气连接。而且在开关过程导致的电位变化过程中,会有很强的瞬间电流为这个电路补充电荷以达到新的电位。这是很强的干扰。相比之下,我们在处理数模混编电路的时候。连数字地和模拟地都要分开,以防止干扰。就显得是很奢侈的做法了。
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    2014-05-27 16:09

    @与中非

    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。

    我在研发大功率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。但是我想,这只能说明系统的抗扰阈值提高了。这个故障出现的可能性恐怕不能从根本上被避免。

    所以在这里,我想提醒自己设计驱动电路的朋友要注意电磁兼容问题。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。我有几点建议。
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    2014-05-27 16:10

    @与中非

    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。

    我在研发大功率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。但是我想,这只能说明系统的抗扰阈值提高了。这个故障出现的可能性恐怕不能从根本上被避免。

    首先尽量避免驱动器与IGBT的直接连接。一般,大家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。我认为,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。)
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    @与中非

    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。

    我在研发大功率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。但是我想,这只能说明系统的抗扰阈值提高了。这个故障出现的可能性恐怕不能从根本上被避免。

    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。
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