功率半導體冷知識之二：IGBT短路時的損耗

作者：英飛凌工業半導體陳子穎

短路不可怕

IGBT主要用於電機驅動和各類變流器，IGBT的抗短路能力是系統可靠運行和安全的保障之一，短路保護可以通過串在迴路中的分流電阻或退飽和檢測等多種方式實現。

IGBT是允許短路的，完全有這樣的底氣，EconoDUAL™3 FF600R12ME4 600A 1200V IGBT4的數據手冊是這樣描述短路能力的，在驅動電壓不超過15V時，短路電流典型值是2400A，只要在10us內成功關斷短路電流，器件不會損壞。

IGBT的短路承受能力為短路保護贏得時間，驅動保護電路可以從容安全地關斷短路電流。

短路能力不是免費的

器件的短路能力不是免費的，代價是器件損耗。短路能力可以用短路承受時間來描述，提高短路承受時間可能需要犧牲飽和壓降，進而關聯到關斷損耗，因為飽和壓降高了，有時需要犧牲關斷損耗來降低。

一種方法是——把IGBT中的MOS溝道做寬，提高MOS溝道的寬長比W/L，可以降低導通時的飽和壓降，但這樣短路電流會增加，短路可承受時間縮短。

基於這機理，IGBT的技術在發展：

1、有些應用並不會發生器件短路，譬如Boost電路等，這時可以使用不保證短路承受時間的器件，如英飛凌TRENCHSTOP™5系列，不支持短路工況，但可以支持極低的導通損耗或者極高的開關頻率。
2、得益於應用技術的進步，驅動保護電路的完善，系統能夠識別出短路並且關斷IGBT所需要的時間越來越短，因此允許我們設計出短路時間更短的IGBT。例如，英飛凌的IGBT7短路時間是6us @ 175oC，EDT2晶片是3us@175oC，以短路承受時間換晶片低損耗性能。

大電流不一定是短路

上面討論有些應用並不會發生器件短路，而不是系統輸出不會短路，系統輸出短路會在器件上產生大電流，設計中必須要考慮合適的過載保護，把器件的關斷電流控制在反向安全工作區內，對於IGBT模塊一般是兩倍的標稱電流。

大電流不一定是短路，為了講清這個問題，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倍的標稱電流以內，在不同柵極電壓驅動時的集電極和發射極之間電壓。圖表中的最大電流是1800A，這是900A IGBT模塊能保證的關斷電流值。

為了討論問題我把輸出特性Ic=f(Vce)展開一下，展開到9倍的標稱電流，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RBSOA：

圖中綠色的部分是反向工作安全區RBSOA的一小部分，在這區域內只要不超過最高工作結溫，每個周期能可靠關斷的電流，條件是在飽和狀態下關斷，在關斷過程中，Vce電壓上升，但不能超過器件耐壓值。

2. 短路區域

綠框框起來的是在柵極電壓13-15V的短路區域，可以在圖中讀出在Vge=15V，短路電流被器件自動限制在5倍的標稱電流，這時器件退出飽和，Vce電壓快速上升，驅動電路檢測Vce上升到幾倍的飽和壓降，就可以執行短路保護了，器件是安全的。

3. 降額短路區域

短路時由於集電極的dv/dt，通過CGC在柵極會感應出一個小電壓，把Vge電壓抬高，這時IGBT進入了降額短路區域，短路電流增大，短路承受時間縮短。

4. 禁止開關區域

器件電流超過了2倍的標稱電流，但是器件沒有退出飽和，這時器件上的電壓比短路時低，貌似器件還比短路時舒服一點，但不行，這時不允許關斷，一定要等到器件退出飽和才允許關斷IGBT。

大電流工作範圍是綠色區域，短路區域的例子圖中用紅綠框框起來的部分，這時電流大，並且器件退出了飽和區，反向工作安全區，電流不能超過RBSOA的規定值，關斷開始時刻器件是飽和狀態，這是不連續的兩個區域。

原理性解釋參考：如何理解IGBT的退飽和現象以及安全工作區

大電流和短路那個更可怕？

為了說明問題，我們出一道計算題：

>大電流

給IGBT一個電感負載，紅色的電感電流從零開始線性上升，100毫秒內達到2倍的IGBT標稱電流，藍色的是IGBT飽和電壓，Vce=V0+Ic*r，電壓是在Vo基礎上線性上升。

>短路

把IGBT接在900V直流母線上，在短路前的初始狀態，電流已經接近2倍的標稱電流，這時發生短路，電流快速上升到6倍的標稱電流，短路檢測電路在10us時成功關斷IGBT，關斷前的母線電壓是900V,在10us內，短路功率是6倍的標稱電流乘以900V，如果以600A 1200V為例，短路瞬時功率為3.24MW!!!

冷靜下來看看積分的結果，100ms內IGBT損耗能量是0.3Ws*In/A，而10us短路的能量是0.054Ws*In/A，誰大誰小，大大出乎意料。在這個例子在短路時的損耗只有IGBT 100ms電感工況下的18%。但由於由於短路時瞬間電流和功率非常大，結溫會大大超過晶片允許的工作結溫，對器件的物理連接的機械應力也很大，是個嚴酷工況。參考文章：功率半導體冷知識：IGBT短路結溫和次數。