驅(qū)動(dòng)電路頻率不足導(dǎo)致的IGBT失效分析

在IGBT的使用過程中，存在電路失效的情況，而失效的原因通常多種多樣，其中一種就是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路工作頻率相對(duì)IGBT開關(guān)頻率不足時(shí)，導(dǎo)致的IGBT失效問題。只有對(duì)IGBT失效原因進(jìn)行正確全面的分析，才能找出問題的根源順利解決。幫助大家理解這種失效原因背后的原理。

通常來說，限制輸出頻率的因素是響應(yīng)速度和耗散功率。但是相比之下很多驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的規(guī)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(qū)動(dòng)器經(jīng)過一次輸出翻轉(zhuǎn)后并不能馬上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。如果在驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)前再次輸出翻轉(zhuǎn)，則會(huì)引發(fā)一些可靠性問題。

比較典型的一個(gè)環(huán)節(jié)就是輔助電源。由于驅(qū)動(dòng)輸出功率相比于其瞬間輸出峰值功率來說都比較小。因此每次輸出翻轉(zhuǎn)都會(huì)造成電源電壓跌落，需要一段時(shí)間來充電升壓到正常值。好在驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè)外接電容分別為上升和下降輸出供電。因此，通常占空比不會(huì)受到這方面因素的限制。但是如果特殊的應(yīng)用場(chǎng)合導(dǎo)致輸出占空比出現(xiàn)大幅度的突變。那就可能出現(xiàn)兩次同向翻轉(zhuǎn)的間隔時(shí)間過短，導(dǎo)致供電不足的問題了。這一點(diǎn)需要注意，要把占空比最大變化率對(duì)輸出頻率裕度的損耗折算進(jìn)去。

再有就是外接電容的問題。一般大家選用的都是鋁電解電容，原因是價(jià)格較低，容值大。但是，電解電容的壽命與溫度關(guān)系密切。一般來說工作環(huán)境溫度每上升10度，電容壽命將折損一半。因此對(duì)于像軋鋼機(jī)等高溫應(yīng)用場(chǎng)合就要考慮這個(gè)問題。而鋁電解電容老化的直接后果是等效串聯(lián)電阻ESR的增大。對(duì)于驅(qū)動(dòng)的儲(chǔ)能電容來說，這意味著輸出電壓波動(dòng)的惡化。將導(dǎo)致IGBT開關(guān)速率的飄移。

另外一個(gè)方面是結(jié)型晶體管的存儲(chǔ)電荷問題。由于控制方式上的優(yōu)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電路中往往包含有雙結(jié)型晶體管而非全部是場(chǎng)效應(yīng)管。雙結(jié)型晶體管有一個(gè)特點(diǎn)，就是它的關(guān)斷過程依賴于流經(jīng)的電荷總量。這個(gè)過程也就是基極存儲(chǔ)電荷的耗盡過程。而驅(qū)動(dòng)器的輸出并不是連續(xù)的，在達(dá)到給定電位后就不再有輸出。這實(shí)質(zhì)上斬?cái)嗔舜鎯?chǔ)電荷釋放的渠道。因此很多時(shí)候驅(qū)動(dòng)器在一次輸出以后需要很長(zhǎng)的時(shí)間來耗盡存儲(chǔ)電荷。如果在它恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)前再次輸出翻轉(zhuǎn)。則可能導(dǎo)致響應(yīng)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(jī)理是一款驅(qū)動(dòng)器輸出頻率的主要限制因素，那么該驅(qū)動(dòng)器的極限工作頻率與溫度的相關(guān)性就會(huì)比較大。與之相應(yīng)地就要注意最高工作頻率的實(shí)際測(cè)試溫度，酌情留有裕度。

通過上面的分析，可以看到驅(qū)動(dòng)器輸出頻率應(yīng)當(dāng)留有一定的裕度。最好將占空比變化率計(jì)算在內(nèi)。舉例來說，如果占空比在相鄰兩個(gè)周期間，可能從33%突變至66%。那么對(duì)應(yīng)的最高工作頻率就該是當(dāng)前值的1.5倍。另一方面，驅(qū)動(dòng)器外接的鋁電解電容最好選用品質(zhì)較高的產(chǎn)品，不要在市場(chǎng)上隨意采購。尤其推薦一些廠家特制的開關(guān)電源專用輸出濾波電容。這類電容在ESR方面有優(yōu)勢(shì)。再有就是，如果產(chǎn)品應(yīng)用的溫度范圍很寬。比如野外移動(dòng)使用的電源設(shè)備，可能在極寒酷暑下使用。建議根據(jù)情況留有更加富裕的最大工作頻率欲度。

可以看到，是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路工作頻率相對(duì)IGBT開關(guān)頻率不足時(shí)，IGBT失效問題。內(nèi)容雖然不多，但都是從擁有一定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的電源從業(yè)者的經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)得出的。詳細(xì)會(huì)對(duì)各位新手帶來一定的幫助。