功率半導(dǎo)體冷知識(shí)之二：IGBT短路時(shí)的損耗

IGBT主要用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和各類變流器，IGBT的抗短路能力是系統(tǒng)可靠運(yùn)行和安全的保障之一，短路保護(hù)可以通過(guò)串在回路中的分流電阻或退飽和檢測(cè)等多種方式實(shí)現(xiàn)。

IGBT是允許短路的，完全有這樣的底氣，EconoDUAL?3 FF600R12ME4 600A 1200V IGBT4的數(shù)據(jù)手冊(cè)是這樣描述短路能力的，在驅(qū)動(dòng)電壓不超過(guò)15V時(shí)，短路電流典型值是2400A，只要在10us內(nèi)成功關(guān)斷短路電流，器件不會(huì)損壞。

IGBT的短路承受能力為短路保護(hù)贏得時(shí)間，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路可以從容安全地關(guān)斷短路電流。

短路能力不是免費(fèi)的

器件的短路能力不是免費(fèi)的，代價(jià)是器件損耗。短路能力可以用短路承受時(shí)間來(lái)描述，提高短路承受時(shí)間可能需要犧牲飽和壓降，進(jìn)而關(guān)聯(lián)到關(guān)斷損耗，因?yàn)轱柡蛪航蹈吡?，有時(shí)需要犧牲關(guān)斷損耗來(lái)降低。

一種方法是——把IGBT中的MOS溝道做寬，提高M(jìn)OS溝道的寬長(zhǎng)比W/L，可以降低導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降，但這樣短路電流會(huì)增加，短路可承受時(shí)間縮短。

基于這機(jī)理，IGBT的技術(shù)在發(fā)展：

有些應(yīng)用并不會(huì)發(fā)生器件短路，譬如Boost電路等，這時(shí)可以使用不保證短路承受時(shí)間的器件，如英飛凌TRENCHSTOP?5系列，不支持短路工況，但可以支持極低的導(dǎo)通損耗或者極高的開(kāi)關(guān)頻率。

得益于應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的完善，系統(tǒng)能夠識(shí)別出短路并且關(guān)斷IGBT所需要的時(shí)間越來(lái)越短，因此允許我們?cè)O(shè)計(jì)出短路時(shí)間更短的IGBT。例如，英飛凌的IGBT7短路時(shí)間是6us @ 175oC，EDT2芯片是3us@175oC，以短路承受時(shí)間換芯片低損耗性能。

大電流不一定是短路

上面討論有些應(yīng)用并不會(huì)發(fā)生器件短路，而不是系統(tǒng)輸出不會(huì)短路，系統(tǒng)輸出短路會(huì)在器件上產(chǎn)生大電流，設(shè)計(jì)中必須要考慮合適的過(guò)載保護(hù)，把器件的關(guān)斷電流控制在反向安全工作區(qū)內(nèi)，對(duì)于IGBT模塊一般是兩倍的標(biāo)稱電流。

大電流不一定是短路，為了講清這個(gè)問(wèn)題，我們需要分析IGBT的輸出特性Ic=f(Vce)，圖中是FF900R12ME7_B11,900A 1200V IGBT7的輸出特性，它給出了在2倍的標(biāo)稱電流以內(nèi)，在不同柵極電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)的集電極和發(fā)射極之間電壓。圖表中的最大電流是1800A，這是900A IGBT模塊能保證的關(guān)斷電流值。

為了討論問(wèn)題我把輸出特性Ic=f(Vce)展開(kāi)一下，展開(kāi)到9倍的標(biāo)稱電流，7-8倍的飽和壓降，這樣各種要解釋IGBT大電流工況都在圖上了。

1.正常工況---反向工作安全區(qū)RBSOA：

圖中綠色的部分是反向工作安全區(qū)RBSOA的一小部分，在這區(qū)域內(nèi)只要不超過(guò)最高工作結(jié)溫，每個(gè)周期能可靠關(guān)斷的電流，條件是在飽和狀態(tài)下關(guān)斷，在關(guān)斷過(guò)程中，Vce電壓上升，但不能超過(guò)器件耐壓值。

2.短路區(qū)域

綠框框起來(lái)的是在柵極電壓13-15V的短路區(qū)域，可以在圖中讀出在Vge=15V，短路電流被器件自動(dòng)限制在5倍的標(biāo)稱電流，這時(shí)器件退出飽和，Vce電壓快速上升，驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)Vce上升到幾倍的飽和壓降，就可以執(zhí)行短路保護(hù)了，器件是安全的。

3.降額短路區(qū)域

短路時(shí)由于集電極的dv/dt，通過(guò)CGC在柵極會(huì)感應(yīng)出一個(gè)小電壓，把Vge電壓抬高，這時(shí)IGBT進(jìn)入了降額短路區(qū)域，短路電流增大，短路承受時(shí)間縮短。

4.禁止開(kāi)關(guān)區(qū)域

器件電流超過(guò)了2倍的標(biāo)稱電流，但是器件沒(méi)有退出飽和，這時(shí)器件上的電壓比短路時(shí)低，貌似器件還比短路時(shí)舒服一點(diǎn)，但不行，這時(shí)不允許關(guān)斷，一定要等到器件退出飽和才允許關(guān)斷IGBT。

大電流工作范圍是綠色區(qū)域，短路區(qū)域的例子圖中用紅綠框框起來(lái)的部分，這時(shí)電流大，并且器件退出了飽和區(qū)，反向工作安全區(qū)，電流不能超過(guò)RBSOA的規(guī)定值，關(guān)斷開(kāi)始時(shí)刻器件是飽和狀態(tài)，這是不連續(xù)的兩個(gè)區(qū)域。

原理性解釋參考：如何理解IGBT的退飽和現(xiàn)象以及安全工作區(qū)

大電流和短路那個(gè)更可怕？

為了說(shuō)明問(wèn)題，我們出一道計(jì)算題：

大電流

給IGBT一個(gè)電感負(fù)載，紅色的電感電流從零開(kāi)始線性上升，100毫秒內(nèi)達(dá)到2倍的IGBT標(biāo)稱電流，藍(lán)色的是IGBT飽和電壓，Vce=V0+Ic*r，電壓是在Vo基礎(chǔ)上線性上升。

短路

把IGBT接在900V直流母線上，在短路前的初始狀態(tài)，電流已經(jīng)接近2倍的標(biāo)稱電流，這時(shí)發(fā)生短路，電流快速上升到6倍的標(biāo)稱電流，短路檢測(cè)電路在10us時(shí)成功關(guān)斷IGBT，關(guān)斷前的母線電壓是900V,在10us內(nèi)，短路功率是6倍的標(biāo)稱電流乘以900V，如果以600A 1200V為例，短路瞬時(shí)功率為3.24MW!!!

冷靜下來(lái)看看積分的結(jié)果，100ms內(nèi)IGBT損耗能量是0.3Ws*In/A，而10us短路的能量是0.054Ws*In/A，誰(shuí)大誰(shuí)小，大大出乎意料。在這個(gè)例子在短路時(shí)的損耗只有IGBT 100ms電感工況下的18%。但由于由于短路時(shí)瞬間電流和功率非常大，結(jié)溫會(huì)大大超過(guò)芯片允許的工作結(jié)溫，對(duì)器件的物理連接的機(jī)械應(yīng)力也很大，是個(gè)嚴(yán)酷工況。參加參考文章：功率半導(dǎo)體冷知識(shí)：IGBT短路結(jié)溫和次數(shù)。

結(jié) 論

只要IGBT的短路保護(hù)電路和系統(tǒng)過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)合理，短路不用手發(fā)抖。