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IGBT可靠性的那些事兒
雙擊自動滾屏 發布者:admin 發布時間:2014-10-13 閱讀:3544

隨著風力發電,智能電網的建設,電力汽車以及高壓變頻器等新興應用的崛起,大功率IGBT的應用越來越多,與此同時IGBT可靠性在大功率電源設計中的重要性隨之與日俱增。基於上述新興應用領域的特殊性,係統可靠性已經成為重要的設計指標之一,而大功率開關器件可靠性問題更是重中之重。

基於IGBT失效機理之應用技術:

器件選用

對於高壓大功率的應用來說,隔離質量問題是非常重要的。在高壓大功率應用下控製電路會麵臨更急嚴峻的幹擾問題。而使用光纖則能徹底切斷信號通路的幹擾。當然,給驅動器後級供電的隔離變壓器依舊會存在,但是相對而言在隔離質量上要好處理的多。所以在高壓大功率應用下,很多朋友會選擇光纖隔離。但是有些問題要注意了。

插拔式的光纖插頭對粉塵非常敏感,哪怕很少量的粉塵也會對光纖性能有較大影響,甚至導致失效。所以光是安裝時光纖接口幹淨還不行,安裝時空氣裏的粉塵量也很重要。如果空氣不幹淨,時間長了,粉塵沉積下來也會有問題。再有就是接口的密封質量同樣重要。應該足夠重視。工作環境的溫度,光纖收發器對溫度也很敏感。長期工作於高溫環境就會老化衰退,乃至失效。而且這個老化過程會伴隨著傳輸延時的增加,需要注意一下。過長的光纖都會被盤起來。但是注意了。彎曲半徑不要太小,除了會損壞光纖,對光傳輸效率也會有影響。光纖的損耗與彎曲半徑成反比。半徑越小,損耗越大。

因此,在高壓大功率場合推薦使用光纖隔離的驅動器,以達到提高隔離質量的目的。還有一個好處,就是可以避免驅動器後級電路邏輯出錯所導致的嚴重後果。但是要注意避免工作於高溫高粉塵環境(注意安裝時的空氣質量)。同時盡量保持大的光纖彎曲半徑。光耦和光纖一樣怕高溫,易老化,可靠性差,共模抑製比還不好。所以除非是成本壓力比較大的低壓小功率場合。盡量不要用光耦隔離的驅動器,哪怕是用在故障信號反饋等功能。

然後是連接器問題。要說電子產品故障率最高的就是接插件了。如果有條件的話,關鍵環節的連接最好還是焊接,盡量避免使用接插件。當然,這一點在實際操作層麵挺難實現的。如果需要使用接插件,提醒兩點,分別是連接器的一致性和穩定性。一致性方麵,靠自身金屬形變彈力提供接觸壓力的連接器,就比用螺釘提供接觸壓力的連接器好。雖然不如後者方便,但是可靠性高,尤其是批量產品的一致性高。穩定性方麵,就要尤其注意表麵鍍層質量。在產品選型時。鍍層的材質,強度和厚度都應該注意選擇比較。

電容方麵。鋁電解電容對溫度是很敏感的,溫度每升高10度,其壽命差不多會折損一半。它的ESR較大,尤其隨著老化ESR會越來越大。這一點要尤為注意。建議在選型時選擇低內阻的型號。而鉭電容的參數要比鋁電解好不少。但是有一點,由於鉭電容的結緣層厚度比鋁電解薄,承受應力的能力就差。所以在超出安全值的工作區間裏,其失效概率比鋁電解要大。因此參數裕度要比鋁電解留得更大一些。而且這個缺點導致了鉭電容安全工作電流範圍比較小,尤其對脈衝電流的耐受力比較差。綜合各方麵的因素,作為IGBT驅動器使用的電容,推薦X7R材質的多層瓷片電容。

輸出邏輯可靠性

研發大功率IGBT驅動器的過程中,發現了一個問題。那就是驅動器本身的狀態鎖存器有時會發生邏輯記憶錯誤。導致驅動器輸出的邏輯錯誤。經過對電路的優化,在試驗中就沒有再遇到過類似的問題。但是,這隻能說明係統的抗擾閾值提高了,故障出現的可能性恐怕不能從根本上被避免。

由此想到了單片機係統不可避免的程序跑飛和死機等問題。不管係統設計多麽好,也不能絕對避免這些現象。隻是概率很低而已。對於高端的大功率IGBT驅動器,使用脈衝變壓器進行隔離的模式似乎是當前普遍采用的方式。而這種形式必須要在輸出端一側使用邏輯鎖存器來記錄當前的邏輯狀態。當接收到隔離變壓器發來的脈衝信號後再進行邏輯翻轉。一旦這個和IGBT共地的電路係統突然出現類似於單片機係統的邏輯錯誤,導致IGBT的失效。那麽在事後的故障分析中,估計也很難發現是驅動器的原因。

所以在這裏,想提醒設計驅動電路的朋友要注意電磁兼容性問題。尤其是邏輯狀態鎖存器的可靠性。而對於直接應用成品驅動器的朋友,有幾點建議:

首先盡量避免驅動器與IGBT的直接連接。一般習慣於驅動器輸出串接門極電阻到IGBT的門極(MOSFET的柵極)而輸出端的地直接與IGBT射極(MOSFET的源極)相連。個人感覺最好是將門極電阻分成兩個串聯的電阻,一個串接在門極與輸出端,一個串接在射極與輸出端地。(對於上升下降沿分別對應一個門極電阻的情況。也可以分出一個公共的電阻串接在射極與輸出地之間。)

另外一個方麵,建議驅動器輸出側電路板平麵的安裝位置盡量與距離最近的大電流走線方向保持垂直(也就是與電路板上的線路垂直)),這樣可以盡量避免電磁耦合。

耦合電流路徑

大型設備的電磁兼容控製和板級電路有很大不同。由於空間尺度更大,所以電磁耦合變得比較突出,異地電勢差也比較大。一個比較典型的問題就是連接控製板和驅動器之間的線纜。

一方麵,與各種幹擾源共處於同一個屏蔽體內,並且長度往往也比較長,這就難免通過空間電磁耦合產生差模幹擾。雖然有各種應對辦法,但是一般都存在一些局限性,不一定能達到期待的效果。常見的兩種情況是:1、采用提高電壓閾值的方法對抗幹擾。但是這需要在控製板內配置相應的轉換電路,以便能輸出高壓的控製信號。這就使結構複雜化。而且這種做法並不能很好地解決信號傳輸的可靠性問題。因為耦合進來的電壓信號幅度與信號閉合環路構建的曲麵麵積成比例,也就是近似和線長成比例。那麽當信號閾值增加的比例沒有超過線纜增長的比例時,就不會有什麽優化可言了。2、通過降低信號接收端的阻抗,和提高信號輸出端的驅動能力來抵抗幹擾。這就要求在控製板一側需要增加更為複雜的接口電路,導致係統複雜化。並且這種電路的響應速度往往會比較慢,還要具備較大的脈衝輸出能力。從上文的內容中可以發現,這樣的做法存在易老化,傳輸延時飄移較大,進而導致延時波動範圍變大,安全死區時間增加的問題。

另一方麵,長線纜對應的高感抗將使隔離變壓器兩邊電壓變化產生的幹擾電流轉換為差模幹擾信號。同樣導致幹擾問題。具體來說就是在一對信號線上,作為地線的一條信號線與幹擾源之間存在較低阻抗的電氣連接。同時它的長度使它本身具有一定的電感值。在流經較大變化率的幹擾電流時會產生比較大的電壓。但是作為信號線的一條,由於信號接收端阻抗很高,不是幹擾電流的流通路徑,因此不會產生電壓。這樣就導致這個信號線對兩端的電位差不一樣。這也有誤觸發的隱患。

由上述可以看出,控製板與驅動器之間的信號線纜過長是一個比較嚴重的問題。而這個線纜如果很短,就意味著要麽控製板與大功率開關器件距離很近,要麽驅動器輸出與大功率開關器件距離很遠。前者會對主控電路造成比較大的幹擾。後者會由於驅動峰值電流很大,加上線纜過長導致的感抗增加,造成驅動質量不良。都是很嚴重的問題。所以像光纖隔離那樣,中間由不怕幹擾的光纖將驅動器分成安裝位置相距較遠的兩部分,是非常合適的結構。在大功率場合非常必要。

幹擾電流引導

通過合理的接地處理是可以優化耦合電流對控製板相關電路的幹擾的,也是將該幹擾電流引走,使它不經過控製板電路。具體來說就是把它引回到它的源頭去。由於電場的建立需要等量的異種電荷。因此對驅動器的電荷補充必然導致電源側的電荷缺失。實際中,這個電荷的缺失是要通過各種雜散參量組成的電荷路徑從周邊環境(包括地)中汲取回來的。而不同途徑提供電荷量的比例,自然是決定於各路徑阻抗的大小。如果為建設一條低阻抗的電荷路徑連接在,害怕受到幹擾的敏感電路入口與幹擾源的源頭之間。那麽幹擾電流就會抄近道回到幹擾源而不對敏感設備造成影響。很明顯,這個通路應該是驅動器與控製板連接處的地到它所驅動的IGBT(MOSFET)周邊最近的接地屏蔽體處。但是這裏一定要注意,不要把其他幹擾從這個屏蔽體引到控製板。所以,常用的對策就是在這兩點之間串接一個並聯了電阻的高頻瓷片電容。具體的阻值和容值就要根據具體情況設定了。另外注意線材一定使用盡量短的多股軟線,以便進一步降低阻抗。需要注意的一點是,由於控製板的電源一般是隔離的開關電源。所以有些係統的主控板往往是懸浮地。這在高壓大功率場合不太合適。很可能累積靜電,導致故障。但是冒然接地又有可能引入幹擾。所以,推薦對主控板以上述的方式,接地於功率電路的接地屏蔽體。並且保持一個接地點。

總結

綜上所述,驅動器與控製板之間的線纜不能過長,否則就存在引入幹擾,導致誤觸發的風險。鑒於驅動器輸出與功率器件之間的距離也不能太遠,建議采用光纖隔離驅動器的那種一分為二,中間通過不怕幹擾的光纖進行連接的方式。另外,建議按照上述方法補充一個接地,以便旁路耦合電流對控製板的影響。

 
 


     

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