驅動(dòng)電路頻率不足導致的IGBT失效分析

　　在IGBT的使用過(guò)程中，存在電路失效的情況，而失效的原因通常多種多樣，其中一種就是當驅動(dòng)電路工作頻率相對IGBT開(kāi)關(guān)頻率不足時(shí)，導致的IGBT失效問(wèn)題。只有對IGBT失效原因進(jìn)行正確全面的分析，才能找出問(wèn)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(lái)說(shuō)，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(dòng)產(chǎn)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(dòng)器經(jīng)過(guò)一次輸出翻轉后并不能馬上恢復穩態(tài)。如果在驅動(dòng)器進(jìn)入穩態(tài)前再次輸出翻轉，則會(huì )引發(fā)一些可靠性問(wèn)題。

　　比較典型的一個(gè)環(huán)節就是輔助電源。由于驅動(dòng)輸出功率相比于其瞬間輸出峰值功率來(lái)說(shuō)都比較小。因此每次輸出翻轉都會(huì )造成電源電壓跌落，需要一段時(shí)間來(lái)充電升壓到正常值。好在驅動(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。但是如果特殊的應用場(chǎng)合導致輸出占空比出現大幅度的突變。那就可能出現兩次同向翻轉的間隔時(shí)間過(guò)短，導致供電不足的問(wèn)題了。這一點(diǎn)需要注意，要把占空比最大變化率對輸出頻率裕度的損耗折算進(jìn)去。

　　再有就是外接電容的問(wèn)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(lái)說(shuō)工作環(huán)境溫度每上升10度，電容壽命將折損一半。因此對于像軋鋼機等高溫應用場(chǎng)合就要考慮這個(gè)問(wèn)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。對于驅動(dòng)的儲能電容來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)輸出電壓波動(dòng)的惡化。將導致IGBT開(kāi)關(guān)速率的飄移。

　　另外一個(gè)方面是結型晶體管的存儲電荷問(wèn)題。由于控制方式上的優(yōu)勢，驅動(dòng)電路中往往包含有雙結型晶體管而非全部是場(chǎng)效應管。雙結型晶體管有一個(gè)特點(diǎn)，就是它的關(guān)斷過(guò)程依賴(lài)于流經(jīng)的電荷總量。這個(gè)過(guò)程也就是基極存儲電荷的耗盡過(guò)程。而驅動(dòng)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(shí)質(zhì)上斬斷了存儲電荷釋放的渠道。因此很多時(shí)候驅動(dòng)器在一次輸出以后需要很長(cháng)的時(shí)間來(lái)耗盡存儲電荷。如果在它恢復至穩態(tài)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(wèn)題。這里需要說(shuō)明的是，如果上述機理是一款驅動(dòng)器輸出頻率的主要限制因素，那么該驅動(dòng)器的極限工作頻率與溫度的相關(guān)性就會(huì )比較大。與之相應地就要注意最高工作頻率的實(shí)際測試溫度，酌情留有裕度。

　　通過(guò)上面的分析，可以看到驅動(dòng)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(lái)說(shuō)，如果占空比在相鄰兩個(gè)周期間，可能從33%突變至66%。那么對應的最高工作頻率就該是當前值的1.5倍。另一方面，驅動(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(chǎng)家特制的開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用輸出濾波電容。這類(lèi)電容在ESR方面有優(yōu)勢。再有就是，如果產(chǎn)品應用的溫度范圍很寬。比如野外移動(dòng)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。

　　可以看到，是當驅動(dòng)電路工作頻率相對IGBT開(kāi)關(guān)頻率不足時(shí)，IGBT失效問(wèn)題。內容雖然不多，但都是從擁有一定設計經(jīng)驗的電源從業(yè)者的經(jīng)驗中總結得出的。詳細會(huì )對各位新手帶來(lái)一定的幫助。