隨著風(fēng)力發(fā)電，智能電網(wǎng)的建設(shè)，電力汽車以及高壓變頻器等新興應(yīng)用的崛起，大功率IGBT的應(yīng)用越來越多，與此同時(shí)IGBT可靠性在大功率電源設(shè)計(jì)中的重要性隨之與日俱增。基于上述新興應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，系統(tǒng)可靠性已經(jīng)成為重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，而大功率開關(guān)器件可靠性問題更是重中之重。在做電源的幾年里，總結(jié)自己觀點(diǎn)并記錄如下，希望能依靠其突出的新穎性、全面性，立足于實(shí)踐的特點(diǎn)，達(dá)到拋磚引玉的作用，引出大家對IGBT可靠性相關(guān)問題的深入討論和總結(jié)的目的。

基于IGBT失效機(jī)理之應(yīng)用技術(shù)：

器件選用

對于高壓大功率的應(yīng)用來說，隔離質(zhì)量問題是非常重要的。在高壓大功率應(yīng)用下控制電路會(huì)面臨更急嚴(yán)峻的干擾問題。而使用光纖則能徹底切斷信號通路的干擾。當(dāng)然，給驅(qū)動(dòng)器后級供電的隔離變壓器依舊會(huì)存在，但是相對而言在隔離質(zhì)量上要好處理的多。所以在高壓大功率應(yīng)用下，很多朋友會(huì)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(huì)對光纖性能有較大影響，甚至導(dǎo)致失效。所以光是安裝時(shí)光纖接口干凈還不行，安裝時(shí)空氣里的粉塵量也很重要。如果空氣不干凈，時(shí)間長了，粉塵沉積下來也會(huì)有問題。再有就是接口的密封質(zhì)量同樣重要。應(yīng)該足夠重視。工作環(huán)境的溫度，光纖收發(fā)器對溫度也很敏感。長期工作于高溫環(huán)境就會(huì)老化衰退，乃至失效。而且這個(gè)老化過程會(huì)伴隨著傳輸延時(shí)的增加，需要注意一下。過長的光纖都會(huì)被盤起來。但是注意了。彎曲半徑不要太小，除了會(huì)損壞光纖，對光傳輸效率也會(huì)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(qū)動(dòng)器，以達(dá)到提高隔離質(zhì)量的目的。還有一個(gè)好處，就是可以避免驅(qū)動(dòng)器后級電路邏輯出錯(cuò)所導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。但是要注意避免工作于高溫高粉塵環(huán)境(注意安裝時(shí)的空氣質(zhì)量)。同時(shí)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，共模抑制比還不好。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(qū)動(dòng)器，哪怕是用在故障信號反饋等功能。

然后是連接器問題。要說電子產(chǎn)品故障率最高的就是接插件了。如果有條件的話，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的連接最好還是焊接，盡量避免使用接插件。當(dāng)然，這一點(diǎn)在實(shí)際操作層面挺難實(shí)現(xiàn)的。如果需要使用接插件，提醒兩點(diǎn)，分別是連接器的一致性和穩(wěn)定性。一致性方面，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。雖然不如后者方便，但是可靠性高，尤其是批量產(chǎn)品的一致性高。穩(wěn)定性方面，就要尤其注意表面鍍層質(zhì)量。在產(chǎn)品選型時(shí)。鍍層的材質(zhì)，強(qiáng)度和厚度都應(yīng)該注意選擇比較。

電容方面。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(huì)折損一半。它的ESR較大，尤其隨著老化ESR會(huì)越來越大。這一點(diǎn)要尤為注意。建議在選型時(shí)選擇低內(nèi)阻的型號。而鉭電容的參數(shù)要比鋁電解好不少。但是有一點(diǎn)，由于鉭電容的結(jié)緣層厚度比鋁電解薄，承受應(yīng)力的能力就差。所以在超出安全值的工作區(qū)間里，其失效概率比鋁電解要大。因此參數(shù)裕度要比鋁電解留得更大一些。而且這個(gè)缺點(diǎn)導(dǎo)致了鉭電容安全工作電流范圍比較小，尤其對脈沖電流的耐受力比較差。綜合各方面的因素，作為IGBT驅(qū)動(dòng)器使用的電容，推薦X7R材質(zhì)的多層瓷片電容。

輸出邏輯可靠性

研發(fā)大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器的過程中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題。那就是驅(qū)動(dòng)器本身的狀態(tài)鎖存器有時(shí)會(huì)發(fā)生邏輯記憶錯(cuò)誤。導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器輸出的邏輯錯(cuò)誤。經(jīng)過對電路的優(yōu)化，在試驗(yàn)中就沒有再遇到過類似的問題。但是，這只能說明系統(tǒng)的抗擾閾值提高了，故障出現(xiàn)的可能性恐怕不能從根本上被避免。

由此想到了單片機(jī)系統(tǒng)不可避免的程序跑飛和死機(jī)等問題。不管系統(tǒng)設(shè)計(jì)多么好，也不能絕對避免這些現(xiàn)象。只是概率很低而已。對于高端的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器，使用脈沖變壓器進(jìn)行隔離的模式似乎是當(dāng)前普遍采用的方式。而這種形式必須要在輸出端一側(cè)使用邏輯鎖存器來記錄當(dāng)前的邏輯狀態(tài)。當(dāng)接收到隔離變壓器發(fā)來的脈沖信號后再進(jìn)行邏輯翻轉(zhuǎn)。一旦這個(gè)和IGBT共地的電路系統(tǒng)突然出現(xiàn)類似于單片機(jī)系統(tǒng)的邏輯錯(cuò)誤，導(dǎo)致IGBT的失效。那么在事后的故障分析中，估計(jì)也很難發(fā)現(xiàn)是驅(qū)動(dòng)器的原因。

所以在這里，想提醒設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的朋友要注意電磁兼容性問題。尤其是邏輯狀態(tài)鎖存器的可靠性。而對于直接應(yīng)用成品驅(qū)動(dòng)器的朋友，有幾點(diǎn)建議：

首先盡量避免驅(qū)動(dòng)器與IGBT的直接連接。一般習(xí)慣于驅(qū)動(dòng)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(gè)人感覺最好是將門極電阻分成兩個(gè)串聯(lián)的電阻，一個(gè)串接在門極與輸出端，一個(gè)串接在射極與輸出端地。(對于上升下降沿分別對應(yīng)一個(gè)門極電阻的情況。也可以分出一個(gè)公共的電阻串接在射極與輸出地之間。)

另外一個(gè)方面，建議驅(qū)動(dòng)器輸出側(cè)電路板平面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(shè)備的電磁兼容控制和板級電路有很大不同。由于空間尺度更大，所以電磁耦合變得比較突出，異地電勢差也比較大。一個(gè)比較典型的問題就是連接控制板和驅(qū)動(dòng)器之間的線纜。

一方面，與各種干擾源共處于同一個(gè)屏蔽體內(nèi)，并且長度往往也比較長，這就難免通過空間電磁耦合產(chǎn)生差模干擾。雖然有各種應(yīng)對辦法，但是一般都存在一些局限性，不一定能達(dá)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干擾。但是這需要在控制板內(nèi)配置相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路，以便能輸出高壓的控制信號。這就使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。而且這種做法并不能很好地解決信號傳輸?shù)目煽啃詥栴}。因?yàn)轳詈线M(jìn)來的電壓信號幅度與信號閉合環(huán)路構(gòu)建的曲面面積成比例，也就是近似和線長成比例。那么當(dāng)信號閾值增加的比例沒有超過線纜增長的比例時(shí)，就不會(huì)有什么優(yōu)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(qū)動(dòng)能力來抵抗干擾。這就要求在控制板一側(cè)需要增加更為復(fù)雜的接口電路，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜化。并且這種電路的響應(yīng)速度往往會(huì)比較慢，還要具備較大的脈沖輸出能力。從上文的內(nèi)容中可以發(fā)現(xiàn)，這樣的做法存在易老化，傳輸延時(shí)飄移較大，進(jìn)而導(dǎo)致延時(shí)波動(dòng)范圍變大，安全死區(qū)時(shí)間增加的問題。

另一方面，長線纜對應(yīng)的高感抗將使隔離變壓器兩邊電壓變化產(chǎn)生的干擾電流轉(zhuǎn)換為差模干擾信號。同樣導(dǎo)致干擾問題。具體來說就是在一對信號線上，作為地線的一條信號線與干擾源之間存在較低阻抗的電氣連接。同時(shí)它的長度使它本身具有一定的電感值。在流經(jīng)較大變化率的干擾電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的電壓。但是作為信號線的一條，由于信號接收端阻抗很高，不是干擾電流的流通路徑，因此不會(huì)產(chǎn)生電壓。這樣就導(dǎo)致這個(gè)信號線對兩端的電位差不一樣。這也有誤觸發(fā)的隱患。

由上述可以看出，控制板與驅(qū)動(dòng)器之間的信號線纜過長是一個(gè)比較嚴(yán)重的問題。而這個(gè)線纜如果很短，就意味著要么控制板與大功率開關(guān)器件距離很近，要么驅(qū)動(dòng)器輸出與大功率開關(guān)器件距離很遠(yuǎn)。前者會(huì)對主控電路造成比較大的干擾。后者會(huì)由于驅(qū)動(dòng)峰值電流很大，加上線纜過長導(dǎo)致的感抗增加，造成驅(qū)動(dòng)質(zhì)量不良。都是很嚴(yán)重的問題。所以像光纖隔離那樣，中間由不怕干擾的光纖將驅(qū)動(dòng)器分成安裝位置相距較遠(yuǎn)的兩部分，是非常合適的結(jié)構(gòu)。在大功率場合非常必要。

干擾電流引導(dǎo)

通過合理的接地處理是可以優(yōu)化耦合電流對控制板相關(guān)電路的干擾的，也是將該干擾電流引走，使它不經(jīng)過控制板電路。具體來說就是把它引回到它的源頭去。由于電場的建立需要等量的異種電荷。因此對驅(qū)動(dòng)器的電荷補(bǔ)充必然導(dǎo)致電源側(cè)的電荷缺失。實(shí)際中，這個(gè)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(huán)境(包括地)中汲取回來的。而不同途徑提供電荷量的比例，自然是決定于各路徑阻抗的大小。如果為建設(shè)一條低阻抗的電荷路徑連接在，害怕受到干擾的敏感電路入口與干擾源的源頭之間。那么干擾電流就會(huì)抄近道回到干擾源而不對敏感設(shè)備造成影響。很明顯，這個(gè)通路應(yīng)該是驅(qū)動(dòng)器與控制板連接處的地到它所驅(qū)動(dòng)的IGBT(MOSFET)周邊最近的接地屏蔽體處。但是這里一定要注意，不要把其他干擾從這個(gè)屏蔽體引到控制板。所以，常用的對策就是在這兩點(diǎn)之間串接一個(gè)并聯(lián)了電阻的高頻瓷片電容。具體的阻值和容值就要根據(jù)具體情況設(shè)定了。另外注意線材一定使用盡量短的多股軟線，以便進(jìn)一步降低阻抗。需要注意的一點(diǎn)是，由于控制板的電源一般是隔離的開關(guān)電源。所以有些系統(tǒng)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(dǎo)致故障。但是冒然接地又有可能引入干擾。所以，推薦對主控板以上述的方式，接地于功率電路的接地屏蔽體。并且保持一個(gè)接地點(diǎn)。

總結(jié)

綜上所述，驅(qū)動(dòng)器與控制板之間的線纜不能過長，否則就存在引入干擾，導(dǎo)致誤觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于驅(qū)動(dòng)器輸出與功率器件之間的距離也不能太遠(yuǎn)，建議采用光纖隔離驅(qū)動(dòng)器的那種一分為二，中間通過不怕干擾的光纖進(jìn)行連接的方式。另外，建議按照上述方法補(bǔ)充一個(gè)接地，以便旁路耦合電流對控制板的影響。