IGBT失效 都是變壓器結(jié)電容惹的禍

隨著人們對電源及電子設備的功能要求越來越高，為各種設備提供電源時需要進行的改動就越來越多。IGBT就是其中一種，然而在實際的設計過程中，很多朋友經(jīng)常會遇到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(jié)電容相對于電壓變化率過大，而導致的耦合電流干擾，最終使IGBT失效的情況進行分析，并幫助大家理清其中的原理。

IGBT的集電極電壓變化率，取決于與門極間等效電容在驅(qū)動電流作用下對應的電壓變化率。當IGBT門極電壓變化到門極電流與工作電流相當?shù)臅r刻，門極電壓將不再變化。驅(qū)動器輸出的電流將對門極和集電極之間的等效電容充放電，實現(xiàn)門極電位的變化。因此這個電位變化過程本身是對應于該條件下對電容的恒流充電過程，其開始和結(jié)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(shù)具有門函數(shù)的特征。

對于該干擾電流對電路系統(tǒng)影響的分析。應該采用類似小波變換的各類分析工具，從瞬時頻譜分析的角度去識別那些攜帶能量較多的瞬時頻率分量的特征。而不應該是采用基于傅氏變換的全時域分析。原因是這一類全時域分析的結(jié)果實質(zhì)上是在瞬時頻域分析結(jié)果的基礎上，進一步在時間上求平均的結(jié)果。

這將導致信號實時特征的畸變和丟失。不能真實地反映問題。不管采用何種瞬時頻率分析方法都將與宏觀上的電流函數(shù)特征相接近。那就是主要的瞬時頻率成分存在于門函數(shù)周期對應的頻率點以上，且較為接近。同時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上升下降時間所決定的電流持續(xù)時間。在數(shù)百納秒至數(shù)微秒量級，大致對應1至10兆赫茲這一區(qū)間。而高頻部分則是來自門函數(shù)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。進一步考慮到實際中雜散參量對該電流的低通能力。實際中的高頻分量應該處于數(shù)百兆赫茲的水平。

而1至10兆赫茲又是一個比較敏感的頻段。它是pcblayout中共點接地和多點接地的混疊區(qū)間。這意味著地線系統(tǒng)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。由于該頻段下線路的感抗特征和阻抗特征都比較明顯，但還沒有高至雜散電容發(fā)揮作用，因此表現(xiàn)出的線路電抗值是比較大的。在相互連接的兩點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(jù)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(shù)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(shù)百兆赫茲的高頻分量將表現(xiàn)出明顯的高頻電流特征。并且應該是高于或接近多數(shù)主控芯片的工作頻率。大家知道，高頻數(shù)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。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(xiàn)為感性。結(jié)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)的過程中，會導致電源電壓的較大波動(尤其是電路接地處理不良的時候)。從該電流的功率級別來講，由于是來自IGBT的開關動作。因此具有電流源性質(zhì)。其能量足以引發(fā)電源完整性問題。比如CMOS器件最危險的閂鎖問題。其危害之大是可想而知的。

通過以上的內(nèi)容可以看到，變壓器結(jié)電容相對于電壓變化率過大，確實會為IGBT帶來較大的影響，尤其是對共地的電路系統(tǒng)的影響尤其大。在選擇IGBT驅(qū)動器的時候，需要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況充分考慮該因素。對于控制電路復雜的系統(tǒng)要尤為注意。需要說明的是。比較不同驅(qū)動器在這一方面的差異時，不能僅注意結(jié)電容的數(shù)值。需要格外關注其變壓器結(jié)構(gòu)上的差異。當然對于成熟的驅(qū)動產(chǎn)品。相信不同級別的驅(qū)動器必然有不同級別的隔離能力。只要不出現(xiàn)小馬拉大車的情況即可。但是對于自制的驅(qū)動產(chǎn)品就很有必要比較與同類成熟產(chǎn)品之間在變壓器結(jié)構(gòu)上的差異。比如繞組的間距，繞組投影面積，繞組結(jié)構(gòu)等因素。以便實現(xiàn)比較可靠的自我評估。切不可僅僅以實測的電容值作為唯一比較參數(shù)。

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