IGBT失效分析之都是变压器结电容惹的祸

随着人们对电源及电子设备的功能要求越来越高，为各种设备提供电源时需要进行的改动就越来越多。IGBT就是其中一种，然而在实际的设计过程中，很多朋友经常会遇到IGBT莫名其妙失效的情况，为设计造成了不便。本文就将针对其中的一种情况，也就是变压器结电容相对于电压变化率过大，而导致的耦合电流干扰，最终使IGBT失效的情况进行分析，并帮助大家理清其中的原理。

IGBT的集电极电压变化率，取决于与门极间等效电容在驱动电流作用下对应的电压变化率。当IGBT门极电压变化到门极电流与工作电流相当的时刻，门极电压将不再变化。驱动器输出的电流将对门极和集电极之间的等效电容充放电，实现门极电位的变化。因此这个电位变化过程本身是对应于该条件下对电容的恒流充电过程，其开始和结束都是近似于阶跃性质的。因此，总体上该干扰电流的函数具有门函数的特征。

对于该干扰电流对电路系统影响的分析。应该采用类似小波变换的各类分析工具，从瞬时频谱分析的角度去识别那些携带能量较多的瞬时频率分量的特征。而不应该是采用基于傅氏变换的全时域分析。原因是这一类全时域分析的结果实质上是在瞬时频域分析结果的基础上，进一步在时间上求平均的结果。

这将导致信号实时特征的畸变和丢失。不能真实地反映问题。不管采用何种瞬时频率分析方法都将与宏观上的电流函数特征相接近。那就是主要的瞬时频率成分存在于门函数周期对应的频率点以上，且较为接近。同时由于上升下降沿的存在。在相对较高的频段也含有相当一部分分量。这就使该干扰电流的主要瞬时频率分量集中在低频和高频两大部分。

其中，低频部分的频率大致是对应IGBT上升下降时间所决定的电流持续时间。在数百纳秒至数微秒量级，大致对应1至10兆赫兹这一区间。而高频部分则是来自门函数的上升下降沿速率决定的频率。但这主要取决于耦合通路自身的频率特性。应该是明显高于低频部分的。进一步考虑到实际中杂散参量对该电流的低通能力。实际中的高频分量应该处于数百兆赫兹的水平。

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而1至10兆赫兹又是一个比较敏感的频段。它是pcblayout中共点接地和多点接地的混叠区间。这意味着地线系统中感抗成分达到甚至超越阻抗成分成为主要因素。电流的分布路径变得更加复杂且相对比较集中。由于该频段下线路的感抗特征和阻抗特征都比较明显，但还没有高至杂散电容发挥作用，因此表现出的线路电抗值是比较大的。在相互连接的两点之间具备形成较大电压的条件。这部分的干扰电流虽然占据主体，能量很大。但是频段相对较低，主要的影响还是集中在信号收发端之间形成的地电势差上。这将导致数字信号电平判定阈值裕度的损失。使发生逻辑错误的概率提高。

数百兆赫兹的高频分量将表现出明显的高频电流特征。并且应该是高于或接近多数主控芯片的工作频率。大家知道，高频数字电路中去耦电容的谐振频率应该是以电路最高工作频率作为最佳点。而如果干扰电流的频率高于电路最高工作频率则很可能使去耦电容表现为感性。结果是在电流对电路整体补充电荷以达成电荷平衡（形成等势体）的过程中，会导致电源电压的较大波动（尤其是电路接地处理不良的时候）。从该电流的功率级别来讲，由于是来自IGBT的开关动作。因此具有电流源性质。其能量足以引发电源完整性问题。比如CMOS器件最危险的闩锁问题。其危害之大是可想而知的。

通过以上的内容可以看到，变压器结电容相对于电压变化率过大，确实会为IGBT带来较大的影响，尤其是对共地的电路系统的影响尤其大。在选择IGBT驱动器的时候，需要根据系统的实际情况充分考虑该因素。对于控制电路复杂的系统要尤为注意。需要说明的是。比较不同驱动器在这一方面的差异时，不能仅注意结电容的数值。需要格外关注其变压器结构上的差异。当然对于成熟的驱动产品。相信不同级别的驱动器必然有不同级别的隔离能力。只要不出现小马拉大车的情况即可。但是对于自制的驱动产品就很有必要比较与同类成熟产品之间在变压器结构上的差异。比如绕组的间距，绕组投影面积，绕组结构等因素。以便实现比较可靠的自我评估。切不可仅仅以实测的电容值作为唯一比较参数。

本文对电子电路设计过程中IGBT失效分析情况进行了讲解，并通过不同的方面来对其中的原理进行分析，帮助大家理解其中的知识点，希望大家在阅读过本文之后能够有所收获。

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