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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!

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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-28 16:48

    @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!

    3,耦合电流路径方面的问题。

    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。

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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-28 16:48

    @与中非

    3,耦合电流路径方面的问题。

    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。
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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-28 16:49

    @与中非

    3,耦合电流路径方面的问题。

    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。

    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。
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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-28 16:49

    @与中非

    3,耦合电流路径方面的问题。

    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。

    从上述内容可以看出,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。
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    LV.1

    2014-05-28 16:49

    @与中非

    3,耦合电流路径方面的问题。

    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。

    还有一个问题就是干扰电流的引导问题。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。如果我们人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IGBTMOSFET)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。但是贸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。
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  • 与中非

    LV.1

    2014-05-28 16:50

    @与中非

    3,耦合电流路径方面的问题。

    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。

    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。
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  • chen2011qian

    LV.1

    2014-05-28 18:31

    @与中非

    感谢老师的支持。这使我倍感动力!
    楼主辛苦了!听课!
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  • 挑战者

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    2014-05-30 11:23

    @wt.liu

    好好学习,希望能有新突破
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  • eason

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    2014-05-30 11:31

    @挑战者

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    我也给赞 楼主内容很不错!
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  • 与中非

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    2014-05-30 22:09

    @eason

    我也给赞 楼主内容很不错!
    谢谢大家的支持!如果能对大家有些实际的用处,那就是我最大的动力。这几天太忙了。我会尽快更新内容。除了尽快完成第二贴目录中的内容外。以后我还会不断优化和补充这些内容。力争让它逐渐体系完整。最终能成为一种实用性强,覆盖面广的参考工具。欢迎大家收藏这些内容。使用时方便查阅。以后我会围绕一些相关专题,陆续推出一些有实用价值的帖子。欢迎大家支持关注。谢谢!
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