IGBT驅(qū)動(dòng)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(duì)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(kāi)始走俏起來(lái)。在本文中，小編將為大家?guī)?lái)IGBT設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的一個(gè)問(wèn)題講解，那就是當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片的額定輸出功率密度相對(duì)不足時(shí)，這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致器件的老化加速。

如果IGBT設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，并且長(zhǎng)時(shí)間的不到解決，那就有可能會(huì)導(dǎo)致延遲時(shí)間增加，死區(qū)時(shí)間相對(duì)不足，以及其他各種參數(shù)衰退等問(wèn)題。

這個(gè)問(wèn)題之所以十分值得引人注意，是因?yàn)榭偟膩?lái)說(shuō)IGBT驅(qū)動(dòng)器性能參數(shù)衰退速度相比其他電路來(lái)說(shuō)還是比較突出的。其中危害比較大的要數(shù)響應(yīng)延時(shí)增加導(dǎo)致的死區(qū)時(shí)間裕度損耗。如果最初的死區(qū)時(shí)間設(shè)置不足，則后果是災(zāi)難性的。而這個(gè)現(xiàn)象相比之下并不是很少見(jiàn)。即便是進(jìn)口大品牌的驅(qū)動(dòng)器，有時(shí)也存在這個(gè)現(xiàn)象。同一型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，新的和用過(guò)相當(dāng)一段時(shí)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(dòng)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(wèn)題實(shí)質(zhì)上屬于在電路應(yīng)用層面上無(wú)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(shí)質(zhì)上都是由熱導(dǎo)致的失效。至于電徒動(dòng)效應(yīng)從可操作的層面來(lái)說(shuō)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(lái)講，電子元件的失效基本上可以歸結(jié)為過(guò)熱和電流密度過(guò)大。其中，電流密度過(guò)大又是過(guò)熱的一種主要原因。

電徙動(dòng)，或稱電流感應(yīng)的物質(zhì)遷移，就是某種導(dǎo)體(例如鋁?，F(xiàn)行的器件多為鋁金屬化器件。更有優(yōu)勢(shì)的銅金屬化器件尚未真正實(shí)用化。)中通過(guò)足夠大的電流時(shí)，在該導(dǎo)體中發(fā)生的物質(zhì)移動(dòng)效應(yīng)。這個(gè)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。基于電徒動(dòng)(遷移)效應(yīng)的簡(jiǎn)化模型得出的，平均故障前時(shí)間(MTTF)計(jì)算公式為:

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

至于由過(guò)熱問(wèn)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(wèn)題有一個(gè)特點(diǎn)，就是在一定溫度下并不明顯，超過(guò)這一溫度就會(huì)越來(lái)越明顯。因此，從操作層面來(lái)講沒(méi)有太多需要說(shuō)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(huì)導(dǎo)致瞬間的局部過(guò)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(shí)差異很大。從上面對(duì)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(méi)有成為壽命瓶頸之前是相對(duì)次要且累積性的，因此不會(huì)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(guò)一定范圍則迅速導(dǎo)致器件衰退或?qū)е露螕舸查g直接失效。可見(jiàn)溫度是決定這些參數(shù)的主要因素。之所以在超過(guò)最大平均工作電流的條件下還能持續(xù)工作一段時(shí)間，是因?yàn)槠骷陨淼谋葻嵛樟诉@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(gè)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(shí)間內(nèi)接近器件失效閾值時(shí)，對(duì)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(shí)，對(duì)應(yīng)的電流值?；趦烧叨际腔跍厣咏骷ч撝底鳛閰?shù)劃定條件?？梢?jiàn)由于溫度因素帶來(lái)的老化衰減，對(duì)應(yīng)于同樣的工作時(shí)長(zhǎng)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(duì)于平均最大電流來(lái)說(shuō)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(shuō)，這兩個(gè)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(shí)際工作脈寬可能遠(yuǎn)小于測(cè)試條件，所以實(shí)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(dòng)電路恰恰有一個(gè)特點(diǎn)就是脈沖輸出能力極強(qiáng)，平均輸出功率很小。這個(gè)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(dú)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(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用中值得注意的事項(xiàng)：

如果驅(qū)動(dòng)器是外購(gòu)的成品。那么對(duì)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(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證選用的驅(qū)動(dòng)器是否存在參數(shù)老化衰退的現(xiàn)象。會(huì)衰退多少(衰退到一定程度，衰退速度就會(huì)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(shí)間的設(shè)置。

如果是自制的驅(qū)動(dòng)器，那么要注意幾個(gè)問(wèn)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(hào)和功率電路之間的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器件。實(shí)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(jì)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(duì)應(yīng)很大的脈沖電流。驅(qū)動(dòng)較長(zhǎng)信號(hào)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(zhǎng)，主要的目的就是希望引起對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)芯片額定輸出功率密度相對(duì)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(zhǎng)此以往就會(huì)導(dǎo)致延遲時(shí)間的增加，并且?guī)?lái)死去時(shí)間的減少，甚至?xí)绊懙狡渌鞣N參數(shù)衰退的問(wèn)題。