IGBT失效 都是變壓器結電容惹的禍

隨著(zhù)人們對電源及電子設備的功能要求越來(lái)越高，為各種設備提供電源時(shí)需要進(jìn)行的改動(dòng)就越來(lái)越多。IGBT就是其中一種，然而在實(shí)際的設計過(guò)程中，很多朋友經(jīng)常會(huì )遇到IGBT莫名其妙失效的情況，為設計造成了不便。本文就將針對其中的一種情況，也就是變壓器結電容相對于電壓變化率過(guò)大，而導致的耦合電流干擾，最終使IGBT失效的情況進(jìn)行分析，并幫助大家理清其中的原理。

IGBT的集電極電壓變化率，取決于與門(mén)極間等效電容在驅動(dòng)電流作用下對應的電壓變化率。當IGBT門(mén)極電壓變化到門(mén)極電流與工作電流相當的時(shí)刻，門(mén)極電壓將不再變化。驅動(dòng)器輸出的電流將對門(mén)極和集電極之間的等效電容充放電，實(shí)現門(mén)極電位的變化。因此這個(gè)電位變化過(guò)程本身是對應于該條件下對電容的恒流充電過(guò)程，其開(kāi)始和結束都是近似于階躍性質(zhì)的。因此，總體上該干擾電流的函數具有門(mén)函數的特征。

對于該干擾電流對電路系統影響的分析。應該采用類(lèi)似小波變換的各類(lèi)分析工具，從瞬時(shí)頻譜分析的角度去識別那些攜帶能量較多的瞬時(shí)頻率分量的特征。而不應該是采用基于傅氏變換的全時(shí)域分析。原因是這一類(lèi)全時(shí)域分析的結果實(shí)質(zhì)上是在瞬時(shí)頻域分析結果的基礎上，進(jìn)一步在時(shí)間上求平均的結果。

這將導致信號實(shí)時(shí)特征的畸變和丟失。不能真實(shí)地反映問(wèn)題。不管采用何種瞬時(shí)頻率分析方法都將與宏觀(guān)上的電流函數特征相接近。那就是主要的瞬時(shí)頻率成分存在于門(mén)函數周期對應的頻率點(diǎn)以上，且較為接近。同時(shí)由于上升下降沿的存在。在相對較高的頻段也含有相當一部分分量。這就使該干擾電流的主要瞬時(shí)頻率分量集中在低頻和高頻兩大部分。

其中，低頻部分的頻率大致是對應IGBT上升下降時(shí)間所決定的電流持續時(shí)間。在數百納秒至數微秒量級，大致對應1至10兆赫茲這一區間。而高頻部分則是來(lái)自門(mén)函數的上升下降沿速率決定的頻率。但這主要取決于耦合通路自身的頻率特性。應該是明顯高于低頻部分的。進(jìn)一步考慮到實(shí)際中雜散參量對該電流的低通能力。實(shí)際中的高頻分量應該處于數百兆赫茲的水平。

而1至10兆赫茲又是一個(gè)比較敏感的頻段。它是pcblayout中共點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的混疊區間。這意味著(zhù)地線(xiàn)系統中感抗成分達到甚至超越阻抗成分成為主要因素。電流的分布路徑變得更加復雜且相對比較集中。由于該頻段下線(xiàn)路的感抗特征和阻抗特征都比較明顯，但還沒(méi)有高至雜散電容發(fā)揮作用，因此表現出的線(xiàn)路電抗值是比較大的。在相互連接的兩點(diǎn)之間具備形成較大電壓的條件。這部分的干擾電流雖然占據主體，能量很大。但是頻段相對較低，主要的影響還是集中在信號收發(fā)端之間形成的地電勢差上。這將導致數字信號電平判定閾值裕度的損失。使發(fā)生邏輯錯誤的概率提高。

數百兆赫茲的高頻分量將表現出明顯的高頻電流特征。并且應該是高于或接近多數主控芯片的工作頻率。大家知道，高頻數字電路中去耦電容的諧振頻率應該是以電路最高工作頻率作為最佳點(diǎn)。而如果干擾電流的頻率高于電路最高工作頻率則很可能使去耦電容表現為感性。結果是在電流對電路整體補充電荷以達成電荷平衡(形成等勢體)的過(guò)程中，會(huì )導致電源電壓的較大波動(dòng)(尤其是電路接地處理不良的時(shí)候)。從該電流的功率級別來(lái)講，由于是來(lái)自IGBT的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。因此具有電流源性質(zhì)。其能量足以引發(fā)電源完整性問(wèn)題。比如CMOS器件最危險的閂鎖問(wèn)題。其危害之大是可想而知的。

通過(guò)以上的內容可以看到，變壓器結電容相對于電壓變化率過(guò)大，確實(shí)會(huì )為IGBT帶來(lái)較大的影響，尤其是對共地的電路系統的影響尤其大。在選擇IGBT驅動(dòng)器的時(shí)候，需要根據系統的實(shí)際情況充分考慮該因素。對于控制電路復雜的系統要尤為注意。需要說(shuō)明的是。比較不同驅動(dòng)器在這一方面的差異時(shí)，不能僅注意結電容的數值。需要格外關(guān)注其變壓器結構上的差異。當然對于成熟的驅動(dòng)產(chǎn)品。相信不同級別的驅動(dòng)器必然有不同級別的隔離能力。只要不出現小馬拉大車(chē)的情況即可。但是對于自制的驅動(dòng)產(chǎn)品就很有必要比較與同類(lèi)成熟產(chǎn)品之間在變壓器結構上的差異。比如繞組的間距，繞組投影面積，繞組結構等因素。以便實(shí)現比較可靠的自我評估。切不可僅僅以實(shí)測的電容值作為唯一比較參數。

本文對電子電路設計過(guò)程中IGBT失效分析情況進(jìn)行了講解，并通過(guò)不同的方面來(lái)對其中的原理進(jìn)行分析，幫助大家理解其中的知識點(diǎn)，希望大家在閱讀過(guò)本文之后能夠有所收獲。