IGBT的短路耐受時間

前 言

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大家好，上次我們聊了IGBT短路故障類型，這期我們聊一下IGBT的短路耐受時間。我們都知道IGBT的短路耐受時間一般在10us以內(nèi)，一旦超過這個時間IGBT炸管的風險就會非常高。估計很多小伙伴會有疑問，為什么IGBT的短路耐受時間只有10us？10us又是如何得來的？今天我們就來聊一下這個話題。

IGBT短路產(chǎn)生的能量

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我們都知道IGBT發(fā)生短路故障時會發(fā)生退飽和現(xiàn)象，如圖1所示。退飽和后IGBT會承受全母線電壓，同時集電極電流也上升至額定電流的5-6倍，因此IGBT發(fā)生短路時的瞬時功率是非常大的。

圖1 IGBT一類短路測試波形

今天我們還是以Infineon IGBT模塊FF1400R17IP4為例對本期內(nèi)容輔以說明。這個模塊額定電壓為1700V，電流為1400A，短路測試數(shù)據(jù)如下表所示：

可以看出，IGBT在1000V母線電壓，結(jié)溫150℃的情況下，短路電流為5600A。簡單計算可知IGBT短路時的功率在5.6MW左右，這個短時功率是非常大的，但這并不是IGBT失效的主要原因。造成IGBT短路失效的主要原因是5.6MW產(chǎn)生的熱量沒有及時被釋放出去。表1給出的短路允許時間要在10us以內(nèi)，簡單計算可知5.6MW在10us產(chǎn)生的能量也只有56焦耳。56焦耳的熱量其實并不大，但是足夠摧毀IGBT芯片，因為IGBT芯片也很小，厚度也只有200um左右，圖2為該模塊由于短路失效導致的炸管圖片。

圖2 IGBT爆炸圖片

有些小伙伴會有疑問56焦耳的熱量能把IGBT炸成這樣？當然不是，56焦耳只會造成IGBT芯片的本征熱失效。失效以后，是功率回路的高電壓、大電流把IGBT燒成這樣的，這個能量相比56焦耳就大很多了。

IGBT短路熱失效機理

03

細心的小伙伴可能會發(fā)現(xiàn)IGBT的短路電流數(shù)據(jù)是在150℃測試條件下給出的，也就是IGBT在150°結(jié)溫下還能夠承受10us的短路時間，這也意味著10us以后IGBT芯片的溫度還會上升。這時候你可能會問，IGBT短路熱失效時芯片的溫度是多少呢？或者說IGBT能夠承受的最高溫度取決于什么？查閱相關(guān)書籍才發(fā)現(xiàn)IGBT的短路熱失效的根本原因是硅芯片超過了最高臨界溫度（critical temperature）700K[1]，K為熱力學溫標，700K相當于427℃。

那我們再看看IGBT短路期間的溫升是多少，有沒有超過427℃，計算公式為：

需要說明的是該公式是這針對一個IGBT芯片的，F(xiàn)F1400R17IP4這個模塊內(nèi)部由12個IGBT芯片組成，形狀和參數(shù)如圖3所示：

圖3 IGBT 芯片相關(guān)參數(shù)

關(guān)于芯片在IGBT模塊內(nèi)部的布局可參考老耿以前的一篇文章：

IGBT模塊內(nèi)部是什么樣的？

公式1還表明如果IGBT短路工作期間功率密度不變，溫度將作為時間的函數(shù)線性增加。將所有參數(shù)帶入公式1，計算可以得出IGBT的溫升為108℃，如果起始溫度150℃，那IGBT芯片發(fā)生短路10us以后會上升至258℃。

這個溫度和硅材料的臨界溫度427℃（700K）差距還是有點大，原因在什么地方呢？反過來講4.9（56/12）焦耳的的熱量不足以將單個IGBT芯片加熱到427℃，或者說要想將IGBT加熱到427℃需要的時間肯定要大于10us，這個短路耐受時間也和手冊不太一致。

通過仔細分析，公式1成立的前提是將單個 igbt芯片當作一個整體來計算的，短路時的功率也均勻分布在芯片內(nèi)部。然而并非如此，IGBT短路運行過程中，器件內(nèi)部的自熱效應主要集中于芯片的表面（發(fā)射極側(cè)）[2]，同時集電極在散熱器側(cè)，溫度從IGBT的表面擴散至IGBT的底部（集電極）也得需要一定的時間（us級別）。通俗的講，就是IGBT芯片厚度雖然只有190um，但芯片內(nèi)部縱向溫度也是不均勻的。只要芯片的表面超過了臨界溫度，IGBT就會出現(xiàn)熱失效。如果從這個角度去理解，只把芯片的靠近表面部分加熱到700K，而不是將這個芯片加熱到700K，那用的時間就會小很多了，這樣計算的結(jié)果也會更接近于10us，下面我們就來看看IGBT短路耐受時間的詳細計算方法。

IGBT短路耐受時間

04

經(jīng)過前面的分析，如果不考慮由于IGBT芯片內(nèi)部溫度不均勻帶來的溫度擴散現(xiàn)象，那IGBT芯片的短路耐受時間取決于公式2：

將前面提到的各種參數(shù)帶入公式2，可以計算出IGBT的短路耐受時間是25us左右，這個時間和數(shù)據(jù)手冊給出短路耐受時間10us差距有點大。公式2還表明IGBT的短路耐受時間隨IGBT的集電極電壓和飽和電流的增大而減小。

這個時候如果考慮溫度的擴散現(xiàn)象，那芯片在190um內(nèi)的縱向溫度分布可以通過熱擴散方程進行求解[1]：，

Baliga根據(jù)公式4做了一個仿真，如圖4所示[1]。這是一個210um厚的對稱IGBT結(jié)構(gòu)溫度分布，對應于1000A·cm-2的飽和電流密度和200V集電極電壓。使用3.5作為KT常數(shù)，具體為什么是3.5書中并沒有提及?？梢钥闯鲎罡邷囟劝l(fā)生在上表面，而晶圓底部保持在300K。因此非常小體積的硅被升到更高的溫度，這使得IGBT承受短路時間比公式2小得多。

圖4 IGBT 短路關(guān)斷期間內(nèi)部溫度分布仿真

為了更精確的計算IGBT短路耐受時間，需要對公式2引入KT常數(shù)進行修正，公式為：

那KT取多少才合適呢？老耿也不清楚，干脆也取個3.5試試吧，直接將公式2的計算結(jié)果除以3.5，答案為7us左右，雖然和10us比較接近了，但顯然是不對的，可能是KT取值不準確的原因。Baliga書籍上也沒有給出KT是如何得來的詳細說明，比較確定的是KT和芯片的結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系，知道的小伙伴麻煩告訴老耿。。。

總結(jié)

05

① IGBT短路熱擊穿失效最根本原因芯片的溫度超過了si的臨界溫度700K。

②IGBT短路時產(chǎn)生的自熱效應主要集中在IGBT的發(fā)射極側(cè)，且芯片內(nèi)部溫度分布也不是均勻的。

③文中最后給出計算IGBT短路耐受時間的公式，缺少一個常數(shù)KT，希望懂行的小伙伴告訴老耿這個值是如何獲取的，不勝感激。。。

審核編輯 ：李倩