隨著風力發電、智能電網建設、電力汽車、高壓變頻器等新興應用的崛起，
大功率 IGBT模塊 的應用越來越多。而與之相應的是 IGBT可靠性在大功率電源
設計中的重要性與日俱增。本人甚至認為基於上述新興應用領域的特殊性。系統
可靠性已經成為最重要的設計指標之一。而大功率開關器件的可靠性問題更是重
中之重。
IGBT失效的機理大致可以分作兩大類共九個方面。他們分別是；
第一類，由於參數餘量不足導致的四個問題；
1. 變壓器結電容相對於電壓變化率過大，導致的耦合電流乾擾問題。這個
問題導致的後果是，輸出邏輯錯誤，控制電路被幹擾，電路失效等。
2. 驅動電路的工作頻率（最小脈寬）相對 IGBT開關頻率（佔空比範圍）不
足，或輔助電源平均輸出功率不足，導致的輸出不穩定。這個問題導致的後果是，
驅動狀態發生波動，系統最壞情況出現概率增加。
3. 驅動電路輸出電壓的上升下降沿速率與 IGBT開關速率不匹配，或輔助電
源峰值功率不足，導致驅動電路達不到滿幅值驅動。這個問題導致的後果是，產
品批量一致性降低，系統最壞情況出現概率增加。
4. 驅動芯片的額定輸出功率密度相對不足，導致的器件老化加速。
這個問題導致的後果是，延遲時間增加導致死區時間相對不足。
第二類，與應用技術相關的五個問題；
1. 器件選用方面的問題。包括：儲能電容的可靠性問題；電容等效直流電
阻問題；光敏器件老化與可靠性問題；光線接口的環境粉塵及接口機械強度等問
題。
2. 輸出邏輯可靠性方面的問題。包括；存儲器邏輯錯誤的一些建議措施；
驅動板安裝位置建議。
3. 耦合電流路徑方面的問題。包括；各單元安裝環境，位置。接地問題，
耦合電流引導問題，系統敏感帶寬，閂鎖，電源完整性問題。
4. 輸出電阻取值方面的問題。包括；取值上限的制約因素，取值下限的制
約因素，IGBT溫度與取值區間的關係。
5. IGBT安裝方面的問題。包括；由於熱或機械應力不均導致的失效；熱阻
及散熱條件均勻性導致的失效。
下面逐條具體說明一下；
一、變壓器結電容相對於電壓變化率過大，導致的耦合電流乾擾問題。
說起驅動器的隔離效果，一些朋友往往想到參數手冊中指出的隔離耐壓，或
者是能承受的最大電壓變化率。但是，這些參數實質上是指驅動在什麼樣的工作
條件下不會被損壞。而不是指驅動器的隔離效果。任何驅動器，包括使用光隔離
的驅動器。都至少要有為輸出級提供電源的隔離變壓器。而變壓器本身必然會存
在原邊與副邊之間的耦合電容。當 IGBT的開關過程導致兩邊電壓出現較大變化
率的時候。該電容的充放電必然會產生一個電流。這也將導致變壓器兩側共地的
電路被幹擾。
IGBT 的集電極電壓變化率，取決於與門極間等效電容在驅動電流作用下對
應的電壓變化率。當 IGBT門極電壓變化到門極電流與工作電流相當的時刻，門
極電壓將不再變化。驅動器輸出的電流將對門極和集電極之間的等效電容充放電，
實現門極電位的變化。因此這個電位變化過程本身是對應於該條件下對電容的恆
流充電過程，其開始和結束都是近似於階躍性質的。因此，總體上該干擾電流的
函數具有門函數的特徵。
對於該干擾電流對電路系統影響的分析。應該採用類似小波變換的各類分析
工具，從瞬時頻譜分析的角度去識別那些攜帶能量較多的瞬時頻率分量的特徵。
而不應該是採用基於傅氏變換的全時域分析。原因是這一類全時域分析的結果實
質上是在瞬時頻域分析結果的基礎上，進一步在時間上求平均的結果。這將導致
信號實時特徵的畸變和丟失。不能真實地反映問題。不管採用何種瞬時頻率分析
方法都將與宏觀上的電流函數特徵相接近。那就是主要的瞬時頻率成分存在於門
函數週期對應的頻率點以上，且較為接近。同時由於上升下降沿的存在。在相對
較高的頻段也含有相當一部分分量。這就使該干擾電流的主要瞬時頻率分量集中
在低頻和高頻兩大部分。其中，低頻部分的頻率大致是對應 IGBT上升下降時間
所決定的電流持續時間。在數百納秒至數微秒量級，大致對應 1至 10兆赫茲這
一區間。而高頻部分則是來自門函數的上升下降沿速率決定的頻率。但這主要取
決於耦合通路自身的頻率特性。應該是明顯高於低頻部分的。進一步考慮到實際
中雜散參量對該電流的低通能力。實際中的高頻分量應該處於數百兆赫茲的水平。
而 1至 10兆赫茲又是一個比較敏感的頻段。它是 pcb layout中共點接地和多點
接地的混疊區間。這意味著地線系統中感抗成分達到甚至超越阻抗成分成為主要
因素。電流的分佈路徑變得更加複雜且相對比較集中。由於該頻段下線路的感抗
特徵和阻抗特徵都比較明顯，但還沒有高至雜散電容發揮作用，因此表現出的線
路電抗值是比較大的。在相互連接的兩點之間具備形成較大電壓的條件。這部分
的干擾電流雖然佔據主體，能量很大。但是頻段相對較低，主要的影響還是集中
在信號收發端之間形成的地電勢差上。這將導致數字信號電平判定閾值裕度的損
失。使發生邏輯錯誤的概率提高。
數百兆赫茲的高頻分量，將表現出明顯的高頻電流特徵。並且應該是高於或
接近多數主控芯片的工作頻率。大家知道，高頻數字電路中去耦電容的諧振頻率
應該是以電路最高工作頻率作為最佳點。而如果幹擾電流的頻率高於電路最高工
作頻率則很可能使去耦電容表現為感性。結果是在電流對電路整體補充電荷以達
成電荷平衡（形成等勢體）的過程中，會導致電源電壓的較大波動（尤其是電路
接地處理不良的時候）。從該電流的功率級別來講，由於是來自 IGBT的開關動
作。因此具有電流源性質。其能量足以引發電源完整性問題。比如 CMOS 器件最
危險的閂鎖問題。其危害之大是可想而知的。
說點題外話。電子產品的任何技術參數都是在指定的測試條件下才有意義的。
有一個故事，說 ADI曾推出一款當時號稱業內噪聲最小的運算放大器。但是有使
用者發現，在其設計的產品中換用該運放後的實測噪聲，並不比原來的運放小。
進一步分析才發現，這個運放指出的噪聲參數是在典型的測試頻段下測得的。而
在該使用者實際使用的頻段下卻並沒有優勢。這個事例說明，理解產品的一個參
數必須置於實際情況之下。數據，有時僅僅是一種典型代表，並不具有太多實際
意義。就比如說這裡的變壓器結電容。很多驅動產品給出的數值都是很低的。但
是實際中如此量級的電容值在實物測試時，必然受到電路雜散電感等因素的影響。
而理論值往往又難逃理想化模型的影響。所以該數值的參考意義大於實際意義。
如果你要對比結電容這一參數，建議同時比較產品的變壓器結構，以便輔助判斷
結電容誰高誰低。
綜上所述，IGBT 開關過程所導致的變壓器結電容充放電電流對與之共地的
電路系統的影響是很大的。在選擇 IGBT驅動器的時候，需要根據系統的實際情
況充分考慮該因素。對於控制電路複雜的系統要尤為注意。需要說明的是。比較
不同驅動器在這一方面的差異時，不能僅注意結電容的數值。需要格外關注其變
壓器結構上的差異。當然對於成熟的驅動產品。相信不同級別的驅動器必然有不
同級別的隔離能力。只要不出現小馬拉大車的情況即可。但是對於自制的驅動產
品就很有必要比較與同類成熟產品之間在變壓器結構上的差異。比如繞組的間距，
繞組投影面積，繞組結構等因素。以便實現比較可靠的自我評估。切不可僅僅以
實測的電容值作為唯一比較參數。
說到瞬時頻譜方面的問題。給大家獻上一本《小波十講》。在實際中大家未
必會用到這些方法。但是，我想數學的意義並不是方法本身，而是思想。這本書
非常經典，絕對值得收藏！相信研讀它對提升工程能力，明晰基本概念，必有裨
益。其實，電子技術的學科體系根基之一就是對頻譜的認識。而現代技術發展趨
勢和市場需求趨勢都指向了瞬態問題的處理。這使得習慣了傳統的基於穩態頻譜
分析思路的朋友，在處理日漸突出的瞬態問題時往往會面對慣性思維帶來的困擾。
就如上文提到的對於 IGBT開關動作產生的耦合電流對電路系統的影響問題。用
瞬態的觀點和穩態的觀點得出的結論是大不相同的。如果概念模糊，分析問題的
基本方法有問題，就很容易出現錯誤。在技術問題上，結論和規則是次要的，因
為具體條件變化不定。但是思路和方法是重要的，因為萬變不離其中。所以非常
期望和大家共同探討一些技術問題的觀點思路，深層機理。相信幫助會更大的。
說到這裡，再說些題外話。和一些剛畢業的朋友溝通，往往會覺得他們對外
界大環境的認識和自身發展策略的規劃上把握不好。其實任何事情都不能脫離大
背景獨立運行。如果從一生的職業生涯跨度上看問題就必須立足於大背景的趨勢。
企業也好，個人也罷。如果總用靜態的眼光看事做事，難免落後一拍，處於被動。
我個人的淺見，隱隱覺得。隨著國內人口紅利的耗盡和經濟背景的變化，未來企
業的競爭力，亦或技術人員的競爭力都將集中於產品定義的創新和產品可靠性的
升級兩方面，而以往的面向節約成本或解決有無的複製性研發將不再具有太大的
競爭力。從技術層面看，社會大趨勢決定了未來世界是建立在電力能源的基礎上，
在高度智能化背景下，整合機器視覺，運動控制技術等要素成為替代石油，電信
等業務的新興經濟增長點。所以，電源行業的技術人員或許進入一個朝陽產業通
道。但前提是，你的專長不是以低成本開發類似的產品，而是以高可靠性開發，
賦予產品新的技術特點。以迎合市場需要。這就需要更加深入地理解概念實質，
理解可靠性制約因素。
二、驅動電路的工作頻率（最小脈寬）相對 IGBT 開關頻率（佔空比範圍）不足，
或輔助電源平均輸出功率不足，導致的輸出不穩定。
不知道大家是否有一個疑問。一般來講限制輸出頻率的因素是響應速度和耗
散功率。但是相比之下很多驅動產品的規定輸出頻率上限卻顯得小了很多。這是
為什麼呢？原因之一，是驅動器經過一次輸出翻轉後並不能馬上恢復穩態。如果
在驅動器進入穩態前再次輸出翻轉，則會引發一些可靠性問題。
另外一個方面是結型晶體管的存儲電荷問題。由於控制方式上的優勢，驅動
電路中往往包含有雙結型晶體管而非全部是場效應管。雙結型晶體管有一個特點，
就是它的關斷過程依賴於流經的電荷總量。這個過程也就是基極存儲電荷的耗盡
過程。而驅動器的輸出並不是連續的，在達到給定電位後就不再有輸出。這實質
上斬斷了存儲電荷釋放的渠道。因此很多時候驅動器在一次輸出以後需要很長的
時間來耗盡存儲電荷。如果在它恢復至穩態前再次輸出翻轉。則可能導致響應遲
緩，輸出幅度不足和耗散功率的驟增等問題。這裡需要說明的是，如果上述機理
是一款驅動器輸出頻率的主要限制因素，那麼該驅動器的極限工作頻率與溫度的
相關性就會比較大。與之相應地就要注意最高工作頻率的實際測試溫度，酌情留
有裕度。
綜上所述，驅動器輸出頻率應當留有一定的裕度。最好將佔空比變化率計算
在內。舉例來說，如果佔空比在相鄰兩個週期間，可能從 33%突變至 66%。那麼
對應的最高工作頻率就該是當前值的 1.5倍。另一方面，驅動器外接的鋁電解電
容最好選用品質較高的產品，不要在市場上隨意採購。尤其推薦一些廠家特製的
開關電源專用輸出濾波電容。這類電容在 ESR 方面有優勢。再有就是，如果產品
應用的溫度範圍很寬。比如野外移動使用的電源設備，可能在極寒酷暑下使用。
建議根據情況留有更加富裕的最大工作頻率欲度。
從另一個角度來說，上述內容都是從工程角度出發概述的，內容上不連貫。
而一般我們學東西卻是按照學科體系去學的，內容前後連續。所以兩者之間很難
同步。如果您對 IGBT 不是很熟悉，我想可能是您對大功率設備接觸不多。建議
多關注一些與基本概念或模型相關的資料。搞清研究對象的具體情況，自然就能
把相關各個學科的東西結合到一起。
