IGBT驅(qū)動芯片額定輸出功率密度不足的分析

電源技術(shù)不斷進(jìn)步，這就使得傳統(tǒng)的一些單一電源方案不再適合于對現(xiàn)如今的產(chǎn)品。最典型的例子就是隨著應(yīng)急電源與不間斷電源的誕生，IGBT技術(shù)開始走俏起來。在本文中，小編將為大家?guī)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/IGBT">IGBT設(shè)計過程中存在的一個問題講解，那就是當(dāng)驅(qū)動芯片的額定輸出功率密度相對不足時，這一現(xiàn)象會導(dǎo)致器件的老化加速。

如果IGBT設(shè)計過程中出現(xiàn)這個問題，并且長時間的不到解決，那就有可能會導(dǎo)致延遲時間增加，死區(qū)時間相對不足，以及其他各種參數(shù)衰退等問題。

這個問題之所以十分值得引人注意，是因為總的來說IGBT驅(qū)動器性能參數(shù)衰退速度相比其他電路來說還是比較突出的。其中危害比較大的要數(shù)響應(yīng)延時增加導(dǎo)致的死區(qū)時間裕度損耗。如果最初的死區(qū)時間設(shè)置不足，則后果是災(zāi)難性的。而這個現(xiàn)象相比之下并不是很少見。即便是進(jìn)口大品牌的驅(qū)動器，有時也存在這個現(xiàn)象。同一型號的驅(qū)動器，新的和用過相當(dāng)一段時間的，在很多參數(shù)上都是能比較出差異的。

電子器件的絕大多數(shù)失效模型最終都可以歸結(jié)為五大類：電徒動效應(yīng)，不同材質(zhì)間的互溶滲透，熱效應(yīng)導(dǎo)致的二次擊穿，微觀結(jié)構(gòu)缺陷，封裝及鍵合線質(zhì)量。其中微觀結(jié)構(gòu)缺陷和封裝及鍵合線質(zhì)量問題實質(zhì)上屬于在電路應(yīng)用層面上無法干預(yù)的，因此不做討論。不同材質(zhì)間的互溶滲透和熱效應(yīng)導(dǎo)致的二次擊穿則實質(zhì)上都是由熱導(dǎo)致的失效。至于電徒動效應(yīng)從可操作的層面來說是熱和電流密度兩方面因素導(dǎo)致的。因此，從操作的維度來講，電子元件的失效基本上可以歸結(jié)為過熱和電流密度過大。其中，電流密度過大又是過熱的一種主要原因。

電徙動，或稱電流感應(yīng)的物質(zhì)遷移，就是某種導(dǎo)體(例如鋁。現(xiàn)行的器件多為鋁金屬化器件。更有優(yōu)勢的銅金屬化器件尚未真正實用化。)中通過足夠大的電流時，在該導(dǎo)體中發(fā)生的物質(zhì)移動效應(yīng)。這個效應(yīng)將導(dǎo)致器件微觀結(jié)構(gòu)的緩慢變化和性能的緩慢衰減，最終導(dǎo)致失效。相關(guān)研究指出?；陔娡絼?遷移)效應(yīng)的簡化模型得出的，平均故障前時間(MTTF)計算公式為:

從這個公式可以看出，越是低溫，溫度對器件平均故障前時間的影響越是迅速成為相對主要的因素。而越是高溫，電流密度對器件平均故障前時間的影響越是迅速成為相對主要的因素。

至于由過熱問題導(dǎo)致的失效其模型就復(fù)雜得多了。并不是一種機(jī)理導(dǎo)致的。但是這類問題有一個特點，就是在一定溫度下并不明顯，超過這一溫度就會越來越明顯。因此，從操作層面來講沒有太多需要說明的，只要保證器件工作在安全溫度下，保證沖擊電流等不會導(dǎo)致瞬間的局部過熱即可。

大家都知道，很多器件的工作電流都有平均最大電流和脈沖最大電流之分。而且兩者的比例有時差異很大。從上面對失效模型的總結(jié)可以看出，電流密度導(dǎo)致的器件老化衰減在溫度沒有成為壽命瓶頸之前是相對次要且累積性的，因此不會成為極限參數(shù)的決定性因素。而溫度因素導(dǎo)致的失效模型則帶有一定的閾值特征，在一定值之內(nèi)也是影響較小的累積性衰減，而超過一定范圍則迅速導(dǎo)致器件衰退或?qū)е露螕舸?，瞬間直接失效。可見溫度是決定這些參數(shù)的主要因素。之所以在超過最大平均工作電流的條件下還能持續(xù)工作一段時間，是因為器件自身的比熱吸收了這期間產(chǎn)生的熱量，將溫度控制在安全值以內(nèi)。

因此得到這樣一個推論。脈沖最大電流，是由于高的電流密度導(dǎo)致的溫升在短時間內(nèi)接近器件失效閾值時，對應(yīng)的電流值。而平均最大電流則是熱平衡條件下，溫升接近器件失效閾值時，對應(yīng)的電流值。基于兩者都是基于溫升接近器件失效閾值作為參數(shù)劃定條件?？梢娪捎跍囟纫蛩貛淼睦匣p，對應(yīng)于同樣的工作時長應(yīng)該是接近的。但是，由于脈沖最大電流的限制因素是高電流密度引起的瞬間溫升，因此電流密度導(dǎo)致的衰減相對于平均最大電流來說要非常明顯。是平均最大電流和脈沖最大電流兩者比值的平方關(guān)系。這也就是說，這兩個電流比值很大的器件，工作于脈沖最大電流條件下的壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常水平。由于實際工作脈寬可能遠(yuǎn)小于測試條件，所以實際被使用的最大脈沖電流也可能遠(yuǎn)大于標(biāo)稱值，這將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的老化衰減。

IGBT驅(qū)動電路恰恰有一個特點就是脈沖輸出能力極強(qiáng)，平均輸出功率很小。這個特征加上追求小體積和低成本的因素。決定了大量平均最大電流和脈沖最大電流兩者比值很大的器件(獨立器件或集成電路中的一部分)被采用，并工作于脈沖最大電流條件下。

綜上所述，可以推論出幾條IGBT驅(qū)動器在實際應(yīng)用中值得注意的事項：

如果驅(qū)動器是外購的成品。那么對于批量使用的情況，強(qiáng)烈建議在量產(chǎn)前做充分的老化實驗。驗證選用的驅(qū)動器是否存在參數(shù)老化衰退的現(xiàn)象。會衰退多少(衰退到一定程度，衰退速度就會大減。)，據(jù)此合理低估算參數(shù)欲度的選取，尤其是死區(qū)時間的設(shè)置。

如果是自制的驅(qū)動器，那么要注意幾個問題：1、可能存在高能量靜電威脅的地方(比如隔離變壓器輸出端連接處)不能僅靠芯片自身集成的保護(hù)電路。需要用參數(shù)足夠的器件組建保護(hù)電路。2、脈沖輸出較大但平均輸出較小的器件。尤其是介于信號和功率電路之間的驅(qū)動轉(zhuǎn)換器件。實際工作參數(shù)要與最大脈沖參數(shù)保持充足的距離。3、峰值輸出電流的計算要充分考慮各種雜散參量的影響。尤其是等效電容，在高速輸出的條件下，它將對應(yīng)很大的脈沖電流。驅(qū)動較長信號線纜的器件要注意使用緩沖電路。注意線纜阻抗匹配失調(diào)所可能導(dǎo)致的額外電流等等。

本文的篇幅較長，主要的目的就是希望引起對IGBT驅(qū)動芯片額定輸出功率密度相對不足的重視。如果這種現(xiàn)象出現(xiàn)并得不到一定的解決，那么長此以往就會導(dǎo)致延遲時間的增加，并且?guī)硭廊r間的減少，甚至?xí)绊懙狡渌鞣N參數(shù)衰退的問題。