隨著風力發(fā)電，智能電網的建設，電力汽車以及高壓變頻器等新興應用的崛起，大功率IGBT的應用越來越多，與此同時IGBT可靠性在大功率電源設計中的重要性隨之與日俱增?；谏鲜鲂屡d應用領域的特殊性，系統(tǒng)可靠性已經成為重要的設計指標之一，而大功率開關器件可靠性問題更是重中之重。在做電源的幾年里，總結自己觀點并記錄如下，希望能依靠其突出的新穎性、全面性，立足于實踐的特點，達到拋磚引玉的作用，引出大家對IGBT可靠性相關問題的深入討論和總結的目的。

基于IGBT失效機理之應用技術：

器件選用

對于高壓大功率的應用來說，隔離質量問題是非常重要的。在高壓大功率應用下控制電路會面臨更急嚴峻的干擾問題。而使用光纖則能徹底切斷信號通路的干擾。當然，給驅動器后級供電的隔離變壓器依舊會存在，但是相對而言在隔離質量上要好處理的多。所以在高壓大功率應用下，很多朋友會選擇光纖隔離。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對光纖性能有較大影響，甚至導致失效。所以光是安裝時光纖接口干凈還不行，安裝時空氣里的粉塵量也很重要。如果空氣不干凈，時間長了，粉塵沉積下來也會有問題。再有就是接口的密封質量同樣重要。應該足夠重視。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)境就會老化衰退，乃至失效。而且這個老化過程會伴隨著傳輸延時的增加，需要注意一下。過長的光纖都會被盤起來。但是注意了。彎曲半徑不要太小，除了會損壞光纖，對光傳輸效率也會有影響。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動器，以達到提高隔離質量的目的。還有一個好處，就是可以避免驅動器后級電路邏輯出錯所導致的嚴重后果。但是要注意避免工作于高溫高粉塵環(huán)境(注意安裝時的空氣質量)。同時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動器，哪怕是用在故障信號反饋等功能。

然后是連接器問題。要說電子產品故障率最高的就是接插件了。如果有條件的話，關鍵環(huán)節(jié)的連接最好還是焊接，盡量避免使用接插件。當然，這一點在實際操作層面挺難實現(xiàn)的。如果需要使用接插件，提醒兩點，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，尤其是批量產品的一致性高。穩(wěn)定性方面，就要尤其注意表面鍍層質量。在產品選型時。鍍層的材質，強度和厚度都應該注意選擇比較。

電容方面。鋁電解電容對溫度是很敏感的，溫度每升高10度，其壽命差不多會折損一半。它的ESR較大，尤其隨著老化ESR會越來越大。這一點要尤為注意。建議在選型時選擇低內阻的型號。而鉭電容的參數(shù)要比鋁電解好不少。但是有一點，由于鉭電容的結緣層厚度比鋁電解薄，承受應力的能力就差。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。而且這個缺點導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驅動器使用的電容，推薦X7R材質的多層瓷片電容。

輸出邏輯可靠性

研發(fā)大功率IGBT驅動器的過程中，發(fā)現(xiàn)了一個問題。那就是驅動器本身的狀態(tài)鎖存器有時會發(fā)生邏輯記憶錯誤。導致驅動器輸出的邏輯錯誤。經過對電路的優(yōu)化，在試驗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。

由此想到了單片機系統(tǒng)不可避免的程序跑飛和死機等問題。不管系統(tǒng)設計多么好，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驅動器，使用脈沖變壓器進行隔離的模式似乎是當前普遍采用的方式。而這種形式必須要在輸出端一側使用邏輯鎖存器來記錄當前的邏輯狀態(tài)。當接收到隔離變壓器發(fā)來的脈沖信號后再進行邏輯翻轉。一旦這個和IGBT共地的電路系統(tǒng)突然出現(xiàn)類似于單片機系統(tǒng)的邏輯錯誤，導致IGBT的失效。那么在事后的故障分析中，估計也很難發(fā)現(xiàn)是驅動器的原因。

所以在這里，想提醒設計驅動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。而對于直接應用成品驅動器的朋友，有幾點建議：

首先盡量避免驅動器與IGBT的直接連接。一般習慣于驅動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。個人感覺最好是將門極電阻分成兩個串聯(lián)的電阻，一個串接在門極與輸出端，一個串接在射極與輸出端地。(對于上升下降沿分別對應一個門極電阻的情況。也可以分出一個公共的電阻串接在射極與輸出地之間。)

另外一個方面，建議驅動器輸出側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。一個比較典型的問題就是連接控制板和驅動器之間的線纜。

一方面，與各種干擾源共處于同一個屏蔽體內，并且長度往往也比較長，這就難免通過空間電磁耦合產生差模干擾。雖然有各種應對辦法，但是一般都存在一些局限性，不一定能達到期待的效果。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配置相應的轉換電路，以便能輸出高壓的控制信號。這就使結構復雜化。而且這種做法并不能很好地解決信號傳輸?shù)目煽啃詥栴}。因為耦合進來的電壓信號幅度與信號閉合環(huán)路構建的曲面面積成比例，也就是近似和線長成比例。那么當信號閾值增加的比例沒有超過線纜增長的比例時，就不會有什么優(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動能力來抵抗干擾。這就要求在控制板一側需要增加更為復雜的接口電路，導致系統(tǒng)復雜化。并且這種電路的響應速度往往會比較慢，還要具備較大的脈沖輸出能力。從上文的內容中可以發(fā)現(xiàn)，這樣的做法存在易老化，傳輸延時飄移較大，進而導致延時波動范圍變大，安全死區(qū)時間增加的問題。

另一方面，長線纜對應的高感抗將使隔離變壓器兩邊電壓變化產生的干擾電流轉換為差模干擾信號。同樣導致干擾問題。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。同時它的長度使它本身具有一定的電感值。在流經較大變化率的干擾電流時會產生比較大的電壓。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，因此不會產生電壓。這樣就導致這個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，控制板與驅動器之間的信號線纜過長是一個比較嚴重的問題。而這個線纜如果很短，就意味著要么控制板與大功率開關器件距離很近，要么驅動器輸出與大功率開關器件距離很遠。前者會對主控電路造成比較大的干擾。后者會由于驅動峰值電流很大，加上線纜過長導致的感抗增加，造成驅動質量不良。都是很嚴重的問題。所以像光纖隔離那樣，中間由不怕干擾的光纖將驅動器分成安裝位置相距較遠的兩部分，是非常合適的結構。在大功率場合非常必要。

干擾電流引導

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電路的干擾的，也是將該干擾電流引走，使它不經過控制板電路。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。因此對驅動器的電荷補充必然導致電源側的電荷缺失。實際中，這個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。那么干擾電流就會抄近道回到干擾源而不對敏感設備造成影響。很明顯，這個通路應該是驅動器與控制板連接處的地到它所驅動的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屏蔽體引到控制板。所以，常用的對策就是在這兩點之間串接一個并聯(lián)了電阻的高頻瓷片電容。具體的阻值和容值就要根據具體情況設定了。另外注意線材一定使用盡量短的多股軟線，以便進一步降低阻抗。需要注意的一點是，由于控制板的電源一般是隔離的開關電源。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。并且保持一個接地點。

總結

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