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IGBT驱动芯片额定输出功率密度不足的分析

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2018-8-14 15:05:21 1985

0 本帖最后由王栋春于 2018-8-14 18:41 编辑电源技术不断进步，这就使得传统的一些单一电源方案不再适合于对现如今的产品。最典型的例子就是随着应急电源与不间断电源的诞生，IGBT技术开始走俏起来。在本文中，小编将为大家带来IGBT设计过程中存在的一个问题讲解，那就是当驱动芯片的额定输出功率密度相对不足时，这一现象会导致器件的老化加速。如果IGBT设计过程中出现这个问题，并且长时间的不到解决，那就有可能会导致延迟时间增加，死区时间相对不足，以及其他各种参数衰退等问题。这个问题之所以十分值得引人注意，是因为总的来说IGBT驱动器性能参数衰退速度相比其他电路来说还是比较突出的。其中危害比较大的要数响应延时增加导致的死区时间裕度损耗。如果最初的死区时间设置不足，则后果是灾难性的。而这个现象相比之下并不是很少见。即便是进口大品牌的驱动器，有时也存在这个现象。同一型号的驱动器，新的和用过相当一段时间的，在很多参数上都是能比较出差异的。电子器件的绝大多数失效模型最终都可以归结为五大类：电徒动效应，不同材质间的互溶渗透，热效应导致的二次击穿，微观结构缺陷，封装及键合线质量。其中微观结构缺陷和封装及键合线质量问题实质上属于在电路应用层面上无法干预的，因此不做讨论。不同材质间的互溶渗透和热效应导致的二次击穿则实质上都是由热导致的失效。至于电徒动效应从可操作的层面来说是热和电流密度两方面因素导致的。因此，从操作的维度来讲，电子元件的失效基本上可以归结为过热和电流密度过大。其中，电流密度过大又是过热的一种主要原因。电徙动，或称电流感应的物质迁移，就是某种导体(例如铝。现行的器件多为铝金属化器件。更有优势的铜金属化器件尚未真正实用化。)中通过足够大的电流时，在该导体中发生的物质移动效应。这个效应将导致器件微观结构的缓慢变化和性能的缓慢衰减，最终导致失效。相关研究指出。基于电徒动(迁移)效应的简化模型得出的，平均故障前时间(MTTF)计算公式为: 从这个公式可以看出，越是低温，温度对器件平均故障前时间的影响越是迅速成为相对主要的因素。而越是高温，电流密度对器件平均故障前时间的影响越是迅速成为相对主要的因素。至于由过热问题导致的失效其模型就复杂得多了。并不是一种机理导致的。但是这类问题有一个特点，就是在一定温度下并不明显，超过这一温度就会越来越明显。因此，从操作层面来讲没有太多需要说明的，只要保证器件工作在安全温度下，保证冲击电流等不会导致瞬间的局部过热即可。大家都知道，很多器件的工作电流都有平均最大电流和脉冲最大电流之分。而且两者的比例有时差异很大。从上面对失效模型的总结可以看出，电流密度导致的器件老化衰减在温度没有成为寿命瓶颈之前是相对次要且累积性的，因此不会成为极限参数的决定性因素。而温度因素导致的失效模型则带有一定的阈值特征，在一定值之内也是影响较小的累积性衰减，而超过一定范围则迅速导致器件衰退或导致二次击穿，瞬间直接失效。可见温度是决定这些参数的主要因素。之所以在超过最大平均工作电流的条件下还能持续工作一段时间，是因为器件自身的比热吸收了这期间产生的热量，将温度控制在安全值以内。因此得到这样一个推论。脉冲最大电流，是由于高的电流密度导致的温升在短时间内接近器件失效阈值时，对应的电流值。而平均最大电流则是热平衡条件下，温升接近器件失效阈值时，对应的电流值。基于两者都是基于温升接近器件失效阈值作为参数划定条件。可见由于温度因素带来的老化衰减，对应于同样的工作时长应该是接近的。但是，由于脉冲最大电流的限制因素是高电流密度引起的瞬间温升，因此电流密度导致的衰减相对于平均最大电流来说要非常明显。是平均最大电流和脉冲最大电流两者比值的平方关系。这也就是说，这两个电流比值很大的器件，工作于脉冲最大电流条件下的寿命要远远小于正常水平。由于实际工作脉宽可能远小于测试条件，所以实际被使用的最大脉冲电流也可能远大于标称值，这将导致更为严重的老化衰减。 IGBT驱动电路恰恰有一个特点就是脉冲输出能力极强，平均输出功率很小。这个特征加上追求小体积和低成本的因素。决定了大量平均最大电流和脉冲最大电流两者比值很大的器件(独立器件或集成电路中的一部分)被采用，并工作于脉冲最大电流条件下。综上所述，可以推论出几条IGBT驱动器在实际应用中值得注意的事项：如果驱动器是外购的成品。那么对于批量使用的情况，强烈建议在量产前做充分的老化实验。验证选用的驱动器是否存在参数老化衰退的现象。会衰退多少(衰退到一定程度，衰退速度就会大减。)，据此合理低估算参数欲度的选取，尤其是死区时间的设置。如果是自制的驱动器，那么要注意几个问题：1、可能存在高能量静电威胁的地方(比如隔离变压器输出端连接处)不能仅靠芯片自身集成的保护电路。需要用参数足够的器件组建保护电路。2、脉冲输出较大但平均输出较小的器件。尤其是介于信号和功率电路之间的驱动转换器件。实际工作参数要与最大脉冲参数保持充足的距离。3、峰值输出电流的计算要充分考虑各种杂散参量的影响。尤其是等效电容，在高速输出的条件下，它将对应很大的脉冲电流。驱动较长信号线缆的器件要注意使用缓冲电路。注意线缆阻抗匹配失调所可能导致的额外电流等等。本文的篇幅较长，主要的目的就是希望引起对IGBT驱动芯片额定输出功率密度相对不足的重视。如果这种现象出现并得不到一定的解决，那么长此以往就会导致延迟时间的增加，并且带来死去时间的减少，甚至会影响到其他各种参数衰退的问题。 4
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