驱动与吸收电路对 IGB T 失效的影响 李宝成 3 摘要文章分析了驱动和吸收电路对功率器件 IGBT 开关过程的影响及其失效 原因 ,提出了应采取的措施. 关键词 IGBT 驱动 吸收 中图分类号 TM133 文献标识码 A 文章编号 1004 — 6429 (2002) 02 — 57 — 02 功率半导体器件是电能转换的关键器件 ,而IGBT 又是功 率器件中目前发展最快且很有发展前途的一种混合器件 ,由于 其具有开关速度快、 驱动功率小、 电流容量大、 电压等级高且价 格低等优点 ,使其应用范围越来越广泛 ,特别在开关电源、 逆变 焊机、 UPS、 变频调速器等领域中更是大量应用. 在功率较大的电力电子设备中 ,主电路的形式一般均采用 桥式电路 ,而在桥式电路中 ,功率器件 IGBT 的驱动及吸收电 路对其能否正常可靠使用起着至关重要的作用.驱动及吸收 电路的参数设计合理 ,可以大大延长 IGBT 的使用寿命 ,提高 设备的可靠性.否则 ,将会使 IGBT 经常失效 ,甚至无法工作. 一、 驱动及吸收电路对 IGB T 开关过程的影响 笔者在进行开关电源设计时 ,使用了如图 1 所示的主电 路. 1. 不同参数对驱动波形的影响 图1主电路 Influencing Factors of the Porosity in Welding of Chrome - Nickel Austenic Stainless Steel Zhang Xinbao ,et al. ABSTRACT : This paper expounds the regulations of the influence of the moisture , crystallizing mode of weld joint , droplet transfer , nonmetallic inclusion and other factors in the welding agent of Chrome - Nickel Austenic stainless steel welding rod. KEY WORDS : Chrome - Nickel Austenic stainless steel porosity influencing factor 3 工程师 ,太原市公共交通总公司汽车一公司 ,030012 太原 收稿日期 :2002 - 01 - 28 · 7 5 · 山西科技 2002 年第 2 期 实用技术 SY J S 在图 1 所示主电路中 ,对驱动及吸收参数进行了不同的选 择试验 ,即对 RG、 RX 、 CX 的取值进行了不同的选择 ,以下对几 种选择试验情况分别说明. (1) 驱动较快 ,吸收较轻 ,驱动负压较小 取RG 值较小 ,RX 值较大 ,CX 值较小.试验过程中 ,先不 加主电路中的 V2 ,使控制及驱动电路正常输出 ,然后再使 V2 从0逐渐升高 ,并随时观察 IGBT 的GE 间波形 ,我们发现其 GE 间的波形随 V2 的变化而有所变化. IGBT 的GE 间波形在其同一桥臂的另一只管子开通时产 生了较高的电压尖锋 ,且V2 值越高 ,其尖峰越高.在V2 升至 一定值时 ,其尖峰值甚至高至使 IGBT 导通的程度 ,从而产生 同一桥臂的共导 ,使IGBT 失效 ,无法正常工作.值得注意的 是 ,富士、 三菱等公司的驱动厚膜电路 ,为防止保护误动作 ,均 设有一定的保护盲区.所以在上述电路参数的试验中 ,由于尖 峰较窄 ,共导时间很短 ,保护电路无法动作 ,使IGBT 多次受过 电流冲击而失效. 由于所选参数无法使 IGBT 正常工作 ,故此电路参数根本 不能进入运行试验. (2) 驱动较快 ,吸收较轻 ,驱动负压较大 RG、 RX 、 CX 的取值同(1) ,使IGBT 的GE 间波形的负电压 增大.试验步骤同上.观察 IGBT 的GE 间波形 ,其在另一只 管子开通时的尖峰值虽然绝对值未小 ,但由于驱动负压增大 , 使其值下降 ,不时出现较高的尖峰.虽然 IGBT 可工作 ,但长 期运行仍很不可靠 ,故也未对其进行运行试验. (3) 驱动较快 ,吸收较重 ,驱动负压较小 取RG 值较小、 RX 值较小、 CX 值较大 ,试验步骤同 (1) . IGBT 的GE 间波形在 V2 升至额定值后 ,其同一桥臂的另一只 管子开通造成的尖峰很小 , IGBT 可正常工作 ,对此电路参数 进行了运行试验. (4) 驱动较慢 ,吸收较轻 ,驱动负压较大 取RG 值较大、 RX 值较大、 CX 值较小.试验步骤同 (1) . IGBT 的GE 间波形在 V2 增加至额定值后 ,其尖峰仍能保证在 0 V 以下 ,IGBT 可正常工作 ,对其进行了运行试验. 2. 不同参数对 IGBT 失效的影响 在上述所进行的各种参数的试验中 ,我们发现 ,(1) 所用参 数IGBT 必然失效 ; (2) 所用参数 ,虽然 IGBT 可以工作 ,但也 存在使 IGBT 失效的危险 ; (3) 所用参数在运行试验中发现其 吸收电阻 RX 非常热 ,且在运行期 IGBT 失效比较频繁 ; (4) 所 用参数 经运行试验 ,其吸收电阻损耗较小 , IGBT 在运行期内未发现 失效. 3. IGBT 失效的原因分析 在(1) 所用参数的试验中 ,对IGBT 的失效已作分析 ,即由 于上、 下桥臂共导造成对 IGBT 的重复过流使 IGBT 失效. (2) 所用参数的失效原理同(1) .现只对(3) 所用参数的失效原 因进行分析.如图 2 ,以IGBT1 开通为例分析 , IGBT1 在开通 过程中 ,由于其 GE 间电压下降 ,引起 CX1通过 RX1 和IGBT 的 放电电流 I1 及通过 IGBT1 和RX2对CX2 的允电电流 I2 .因为 (3) 新选参数中 ,RX1 、 RX2 较小 ,CX1 、 CX2 较大 ,所以 ,CX1 、 CX2 上 贮存的电能较大 ,且允放电阻尼较小 ,引起 IGBT 在开通过程 中较大的电流尖峰 I1 + I2 ,对IGBT 而言 ,由于开关电源负载呈 感性 ,所以此时负载电流的影响还较小.由于开通时电流尖峰 较大 ,造成较大的开通应力 ,久之使 IGBT 失效. 图2IGBT 失效原因分析电路图 由于(4) 所选 RX 值较大 ,CX 值较小 ,故CX 上贮存电能较 少,IGBT 开通过程中的电流尖峰较小 ,维持时间也较短 ,减少 了开通应力 ,使IGBT 可安全运行. 二、 结论 IGBT 在应用时 ,其驱动电压上升不能太慢 ,但也不宜太 快 ,驱动电压上升速率太高 ,需要较重的吸收电路才能使 IG2 BT 正常工作 ,但同时也增大了开关应力 ,使器件寿命缩短.所 以选择适宜的驱动电压上升速率、 较轻的吸收电路参数 ,能使 器件长期可靠工作.如能采用零电压零电流开关技术 ,效果会 更佳. Influence of Drive Circuit and Absorption Circuit on Failure of IGBT Li Baocheng ABSTRACT : This paper analyses on the influence of drive circuit and absorption circuit on switching process of power device of IGBT and on the causes of failures , and puts forward some countermeasures should be taken. KEY WORDS : IGBT drive absorption · 8 5 · 实用技术 SY J S 山西科技 2002 年第 2 期
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驱动与吸收电路对 IGB T 失效的影响 李宝成 3 摘要文章分析了驱动和吸收电路对功率器件 IGBT 开关过程的影响及其失效 原因 ,提出了应采取的措施. 关键词 IGBT 驱动 吸收 中图分类号 TM133 文献标识码 A 文章编号 1004 — 6429 (2002) 02 — 57 — 02 功率半导体器件是电能转换的关键器件 ,而IGBT 又是功 率器件中目前发展最快且很有发展前途的一种混合器件 ,由于 其具有开关速度快、 驱动功率小、 电流容量大、 电压等级高且价 格低等优点 ,使其应用范围越来越广泛 ,特别在开关电源、 逆变 焊机、 UPS、 变频调速器等领域中更是大量应用. 在功率较大的电力电子设备中 ,主电路的形式一般均采用 桥式电路 ,而在桥式电路中 ,功率器件 IGBT 的驱动及吸收电 路对其能否正常可靠使用起着至关重要的作用.驱动及吸收 电路的参数设计合理 ,可以大大延长 IGBT 的使用寿命 ,提高 设备的可靠性.否则 ,将会使 IGBT 经常失效 ,甚至无法工作. 一、 驱动及吸收电路对 IGB T 开关过程的影响 笔者在进行开关电源设计时 ,使用了如图 1 所示的主电 路. 1. 不同参数对驱动波形的影响 图1主电路 Influencing Factors of the Porosity in Welding of Chrome - Nickel Austenic Stainless Steel Zhang Xinbao ,et al. ABSTRACT : This paper expounds the regulations of the influence of the moisture , crystallizing mode of weld joint , droplet transfer , nonmetallic inclusion and other factors in the welding agent of Chrome - Nickel Austenic stainless steel welding rod. KEY WORDS : Chrome - Nickel Austenic stainless steel porosity influencing factor 3 工程师 ,太原市公共交通总公司汽车一公司 ,030012 太原 收稿日期 :2002 - 01 - 28 · 7 5 · 山西科技 2002 年第 2 期 实用技术 SY J S 在图 1 所示主电路中 ,对驱动及吸收参数进行了不同的选 择试验 ,即对 RG、 RX 、 CX 的取值进行了不同的选择 ,以下对几 种选择试验情况分别说明. (1) 驱动较快 ,吸收较轻 ,驱动负压较小 取RG 值较小 ,RX 值较大 ,CX 值较小.试验过程中 ,先不 加主电路中的 V2 ,使控制及驱动电路正常输出 ,然后再使 V2 从0逐渐升高 ,并随时观察 IGBT 的GE 间波形 ,我们发现其 GE 间的波形随 V2 的变化而有所变化. IGBT 的GE 间波形在其同一桥臂的另一只管子开通时产 生了较高的电压尖锋 ,且V2 值越高 ,其尖峰越高.在V2 升至 一定值时 ,其尖峰值甚至高至使 IGBT 导通的程度 ,从而产生 同一桥臂的共导 ,使IGBT 失效 ,无法正常工作.值得注意的 是 ,富士、 三菱等公司的驱动厚膜电路 ,为防止保护误动作 ,均 设有一定的保护盲区.所以在上述电路参数的试验中 ,由于尖 峰较窄 ,共导时间很短 ,保护电路无法动作 ,使IGBT 多次受过 电流冲击而失效. 由于所选参数无法使 IGBT 正常工作 ,故此电路参数根本 不能进入运行试验. (2) 驱动较快 ,吸收较轻 ,驱动负压较大 RG、 RX 、 CX 的取值同(1) ,使IGBT 的GE 间波形的负电压 增大.试验步骤同上.观察 IGBT 的GE 间波形 ,其在另一只 管子开通时的尖峰值虽然绝对值未小 ,但由于驱动负压增大 , 使其值下降 ,不时出现较高的尖峰.虽然 IGBT 可工作 ,但长 期运行仍很不可靠 ,故也未对其进行运行试验. (3) 驱动较快 ,吸收较重 ,驱动负压较小 取RG 值较小、 RX 值较小、 CX 值较大 ,试验步骤同 (1) . IGBT 的GE 间波形在 V2 升至额定值后 ,其同一桥臂的另一只 管子开通造成的尖峰很小 , IGBT 可正常工作 ,对此电路参数 进行了运行试验. (4) 驱动较慢 ,吸收较轻 ,驱动负压较大 取RG 值较大、 RX 值较大、 CX 值较小.试验步骤同 (1) . IGBT 的GE 间波形在 V2 增加至额定值后 ,其尖峰仍能保证在 0 V 以下 ,IGBT 可正常工作 ,对其进行了运行试验. 2. 不同参数对 IGBT 失效的影响 在上述所进行的各种参数的试验中 ,我们发现 ,(1) 所用参 数IGBT 必然失效 ; (2) 所用参数 ,虽然 IGBT 可以工作 ,但也 存在使 IGBT 失效的危险 ; (3) 所用参数在运行试验中发现其 吸收电阻 RX 非常热 ,且在运行期 IGBT 失效比较频繁 ; (4) 所 用参数 经运行试验 ,其吸收电阻损耗较小 , IGBT 在运行期内未发现 失效. 3. IGBT 失效的原因分析 在(1) 所用参数的试验中 ,对IGBT 的失效已作分析 ,即由 于上、 下桥臂共导造成对 IGBT 的重复过流使 IGBT 失效. (2) 所用参数的失效原理同(1) .现只对(3) 所用参数的失效原 因进行分析.如图 2 ,以IGBT1 开通为例分析 , IGBT1 在开通 过程中 ,由于其 GE 间电压下降 ,引起 CX1通过 RX1 和IGBT 的 放电电流 I1 及通过 IGBT1 和RX2对CX2 的允电电流 I2 .因为 (3) 新选参数中 ,RX1 、 RX2 较小 ,CX1 、 CX2 较大 ,所以 ,CX1 、 CX2 上 贮存的电能较大 ,且允放电阻尼较小 ,引起 IGBT 在开通过程 中较大的电流尖峰 I1 + I2 ,对IGBT 而言 ,由于开关电源负载呈 感性 ,所以此时负载电流的影响还较小.由于开通时电流尖峰 较大 ,造成较大的开通应力 ,久之使 IGBT 失效. 图2IGBT 失效原因分析电路图 由于(4) 所选 RX 值较大 ,CX 值较小 ,故CX 上贮存电能较 少,IGBT 开通过程中的电流尖峰较小 ,维持时间也较短 ,减少 了开通应力 ,使IGBT 可安全运行. 二、 结论 IGBT 在应用时 ,其驱动电压上升不能太慢 ,但也不宜太 快 ,驱动电压上升速率太高 ,需要较重的吸收电路才能使 IG2 BT 正常工作 ,但同时也增大了开关应力 ,使器件寿命缩短.所 以选择适宜的驱动电压上升速率、 较轻的吸收电路参数 ,能使 器件长期可靠工作.如能采用零电压零电流开关技术 ,效果会 更佳. Influence of Drive Circuit and Absorption Circuit on Failure of IGBT Li Baocheng ABSTRACT : This paper analyses on the influence of drive circuit and absorption circuit on switching process of power device of IGBT and on the causes of failures , and puts forward some countermeasures should be taken. KEY WORDS : IGBT drive absorption · 8 5 · 实用技术 SY J S 山西科技 2002 年第 2 期