IGBT可靠性分析 输出电压沿速率与开关速率的关系

现如今科技飞速发展，传统的电力转化已经无法满足电力设备的需要。新型变频设备崛起的同时，大功率IGBT的应用也逐渐增多起来，IGBT的可靠性直接关系到变频的效率与电力设备的安全，因此IGBT的可靠性正在成为人们关注的焦点。本文来自于达人经验，对IGBT可靠性当中的驱动电路输出电压与开关速率不匹配的问题进行探讨，感兴趣的朋友快来看一看吧。

在IGBT当中有时会遇到如下的问题，驱动电路输出电压的上升下降沿速率与IGBT开关速率不匹配，或辅助电源峰值功率不足，导致驱动电路达不到满幅值驱动。这个问题导致的后果是，产品批量一致性降低，系统最坏情况出现概率增加。

实际上，衡量IGBT驱动器性能最直接的参数在于输出能力。也就是输出峰值电流和上升下降沿速率。之所以这样说，是因为IGBT的开关过程对应于门极电压的变化波形。而决定波形质量的恰恰就是上述两个指标。由于IGBT的功率级别和应用场合要求的差异都很大。所以对应驱动器的输出能力需求也有很大区别。而如果为了节约成本而选用输出能力不够富裕的驱动器，那绝对是得不偿失的。尤其是在高可靠性要求的场合。那么如何衡量驱动器输出能力是否够用呢？

首先，在上升下降速率方面。在IGBT门极电压对应的集电极电流达到当前实际集电极电流值时，也就是IGBT工作于线性放大区间与饱和区间的分界点的时候。驱动器输出应该能够确保，已经达到最大（最小）输出电压。

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具体来说。当IGBT即将进入集电极电压上升或者下降阶段时，是IGBT驱动器真正发挥作用的阶段。在这个时间点上，IGBT集电极电压的上升下降速率决定于IGBT集电极到门极之间的等效电容，和此时驱动器输出的电流值。如果此时驱动器输出电压没有达到稳态电压，还处于它自己的输出上升下降阶段。那么该时刻驱动器的输出电流值将变得很不稳定并缺少重复精度，这将直接导致IGBT工作状态的不稳定。

原因是驱动器的输出上升（下降）沿电压对时间的函数与大量杂散参数相关。批次离散性大而且很容易漂移。而如果上述的工作过程发生在这个阶段内的话。则会由于其截取的时间段非常短暂，而产生更大的重复误差。因此要保证上述过程的重复精度，则需要保证上述过程发生在驱动器输出进入稳态阶段之后，维持在一个稳定的电压值的时候。由此可见，驱动器的上升下降时间相对于门极电压的上升下降时间的长短来说非常重要。如果IGBT门极电压上升到上述工作点时。驱动器还不能保证自身已经到达输出最值并稳定下来，那也就无从保证IGBT的工作稳定性。

另外一个问题是驱动器的峰值输出能力。这就又回到了上面说到的一个问题，就是储能电容的ESR问题。这是需要注意的。总的来说就是注意电容选型和工作温度。这里就不复述了。不一样的一点是，有些驱动器在输出超过实际最大输出值以后将会出现限流特征而非导致损坏。表现就是输出电压的跌落。这和上述的驱动器输出上升下降沿速率过低所导致的结果是一样的。

综上所述，驱动器输出上升下降沿速率，一定要确保在IGBT门极电压对应的集电极电流达到当前实际集电极电流值之前，驱动器输出电压达到稳态电压值。这是重复精度的保证。有时大家会发现IGBT相关波形发虚。波形线变粗，变浅。这就是由于重复精度不良，每次扫描都有不同的轨迹导致的。这个问题需要重视。这预示着系统稳定性的不足，即便是眼下能满足需要，在以后，尤其是量产后，极可能出现问题。而输出峰值电流方面，欲度也要充足。由于驱动器峰值电流的密度是很大的，所以相关器件在可靠性和老化速度方面都有不小压力。留有充足的欲度很有必要。能输出，和能长期稳定输出并不是一回事。

与之相应的，就是输出稳态电压值的批次离散性和长期稳定性（标称的波动范围是否足够小），也应该足够重视。这里举个例子说明下。如果某IGBT工作电流对应于门极5V电压。驱动器输出电压为-8V到+15V。假设输出上升沿阶段。在到达工作点之前的平均电流为3A（假设驱动器输出上升速率不足，和前阶段电源差较大两个因素大致相抵消）。对于一个典型的20nF门极电容的IGBT来说，只需87nS即可达到工作点电压。而相应的驱动器上升时间是否能在百纳秒量级呢？如果不能，那就要注意了。

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