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驱动电路频率不足导致的IGBT失效分析

[ 发布日期:2018-01-22 点击:1148 来源:中国船舶重工集团公司第725研究所检测服务平台 【打印此文】 【关闭窗口】]
    在IGBT的使用过程中,存在电路失效的情况,而失效的原因通常多种多样,其中一种就是当驱动电路工作频率相对IGBT开关频率不足时,导致的IGBT失效问题。只有对IGBT失效原因进行正确全面的分析,才能找出问题的根源顺利解决。帮助大家理解这种失效原因背后的原理。
 
    通常来说,限制输出频率的因素是响应速度和耗散功率。但是相比之下很多驱动产品的规定输出频率上限却显得小了很多。这是为什么呢?原因之一,是驱动器经过一次输出翻转后并不能马上恢复稳态。如果在驱动器进入稳态前再次输出翻转,则会引发一些可靠性问题。
 
    比较典型的一个环节就是辅助电源。由于驱动输出功率相比于其瞬间输出峰值功率来说都比较小。因此每次输出翻转都会造成电源电压跌落,需要一段时间来充电升压到正常值。好在驱动器有两个外接电容分别为上升和下降输出供电。因此,通常占空比不会受到这方面因素的限制。但是如果特殊的应用场合导致输出占空比出现大幅度的突变。那就可能出现两次同向翻转的间隔时间过短,导致供电不足的问题了。这一点需要注意,要把占空比变化率对输出频率裕度的损耗折算进去。
 
    再有就是外接电容的问题。一般大家选用的都是铝电解电容,原因是价格较低,容值大。但是,电解电容的寿命与温度关系密切。一般来说工作环境温度每上升10度,电容寿命将折损一半。因此对于像轧钢机等高温应用场合就要考虑这个问题。而铝电解电容老化的直接后果是等效串联电阻ESR的增大。对于驱动的储能电容来说,这意味着输出电压波动的恶化。将导致IGBT开关速率的飘移。
 
    另外一个方面是结型晶体管的存储电荷问题。由于控制方式上的优势,驱动电路中往往包含有双结型晶体管而非全部是场效应管。双结型晶体管有一个特点,就是它的关断过程依赖于流经的电荷总量。这个过程也就是基极存储电荷的耗尽过程。而驱动器的输出并不是连续的,在达到给定电位后就不再有输出。这实质上斩断了存储电荷释放的渠道。因此很多时候驱动器在一次输出以后需要很长的时间来耗尽存储电荷。如果在它恢复至稳态前再次输出翻转。则可能导致响应迟缓,输出幅度不足和耗散功率的骤增等问题。这里需要说明的是,如果上述机理是一款驱动器输出频率的主要限制因素,那么该驱动器的极限工作频率与温度的相关性就会比较大。与之相应地就要注意工作频率的实际测试温度,酌情留有裕度。
 
    通过上面的分析,可以看到驱动器输出频率应当留有一定的裕度。将占空比变化率计算在内。举例来说,如果占空比在相邻两个周期间,可能从33%突变至66%。那么对应的工作频率就该是当前值的1.5倍。另一方面,驱动器外接的铝电解电容选用品质较高的产品,不要在市场上随意采购。尤其推荐一些厂家特制的开关电源专用输出滤波电容。这类电容在ESR方面有优势。再有就是,如果产品应用的温度范围很宽。比如野外移动使用的电源设备,可能在极寒酷暑下使用。建议根据情况留有更加富裕的工作频率欲度。
 
    可以看到,是当驱动电路工作频率相对IGBT开关频率不足时,IGBT失效问题。内容虽然不多,但都是从拥有一定设计经验的电源从业者的经验中总结得出的。详细会对各位新手带来一定的帮助。