功率半導(dǎo)體冷知識(shí)：IGBT短路結(jié)溫和次數(shù)

作者：陳子穎 ，來源： 英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體

IGBT短路特性

英飛凌IGBT模塊開關(guān)狀態(tài)下最高工作結(jié)溫一般是150度，而IGBT7短時(shí)過載情況下的最高工作結(jié)溫可達(dá)175度。那么IGBT模塊一輩子都可以生活在這樣的舒適區(qū)享受人生嗎？

不！模塊出生后2年內(nèi)必然要走上社會(huì)。在裝上整機(jī)踏上社會(huì)的一刻，往往要經(jīng)歷短路試驗(yàn)這一關(guān)。IGBT的底氣不足或系統(tǒng)保護(hù)不給力，就會(huì)夭折。

IGBT在十年甚至幾十年的開關(guān)高壓大電流的生涯中，被短路是難免的，不幸可能是來自系統(tǒng)和外部干擾，甚至是人為操作失誤。

IGBT是允許短路的，完全有這樣的底氣，EconoDUAL?3 FF600R12ME4 600A 1200V的數(shù)據(jù)手冊是這樣描述短路能力的，在驅(qū)動(dòng)電壓不超過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。注意，短路標(biāo)定的起始溫度是150度，那么短路過程中的結(jié)溫會(huì)飆到多高呢？

二級(jí)管發(fā)生浪涌時(shí)會(huì)超過最高工作結(jié)溫嗎？

為了理解IGBT短路時(shí)的溫度，先研究一下二極管的浪涌電流，我們一起來讀一段Lutz老師的《功率半導(dǎo)體器件-原理、特性和可靠性》一書，他闡述了快恢復(fù)二級(jí)管浪涌電流下的芯片內(nèi)部的溫度。

書中有個(gè)有趣的例子，這是1200V快恢復(fù)二極管，面積49mm2，焊在0.63mm DCB上，浪涌電流寬度7.5ms，峰值功率3060W，這時(shí)n-有源層溫度高達(dá)385度，這還在破壞極限以下，（FRD的浪涌電流是額定電流的10-12倍），對(duì)半導(dǎo)體本身還不會(huì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的改變，但芯片焊料層的溫度也達(dá)到186度，這已經(jīng)很邊界了，可能會(huì)造成封裝的不可逆轉(zhuǎn)的改變，所以說浪涌電流容量適用于非正常過載事件，而不是功率半導(dǎo)體正常工作狀態(tài)。

浪涌電流和電壓波形

仿真的溫度（Si aktiv硅有源區(qū)）

IGBT短路時(shí)的溫度知多少

在英飛凌早年的文章找到短路時(shí)的溫度仿真曲線，比較了IGBT2 NPT和IGBT3短路時(shí)的溫度，可以看到短路起始溫度Tvj=175度時(shí)，短路時(shí)的最高溫度360度和461度之高。

那么溫度是怎么分布的呢？

芯片縱向的溫度分布，1200V IGBT在400V時(shí)短路，起始溫度是26度，4.5us時(shí)，芯片背面發(fā)射極溫度77度，芯片集電極側(cè)167度，由于短路芯片里的電流呈絲狀，使熱量集中于一點(diǎn)，電流絲溫度高達(dá)367度，但最高點(diǎn)是表面下面一點(diǎn)。

IGBT可以短路100次嗎？

短路瞬間功耗很大，結(jié)溫會(huì)遠(yuǎn)超允許工作結(jié)溫，那么短路次數(shù)可以是多少呢？

故事1：

2003年英飛凌寫過一篇文章，給出了有參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

實(shí)驗(yàn)是基于3600A 1200V TRENCHSTOP IGBT3，VGE=15V，最高工作結(jié)溫做短路測試，實(shí)際短路波形如圖，短路脈沖10us，周期1/3Hz，在這樣的短路條件下，最高瞬態(tài)功耗高達(dá)3MW！

4個(gè)模塊共短路9萬次沒有問題。

當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)用業(yè)內(nèi)做大電流規(guī)格的3600A 1200V模塊

短路波形，短路電流近萬安培

4個(gè)模塊的短路次數(shù)

故事2：

Lutz專著中闡述到，短路時(shí)存儲(chǔ)的能量不能超過臨界能量Ec，對(duì)于短路事件重復(fù)、長時(shí)間的測試結(jié)果表明：在器件不被損壞的前提下，重復(fù)次數(shù)可以高達(dá)10000次。對(duì)于研究的600V IGBT來說，短路失效完全來自于熱。此外需要特別注意的是在大量的短路脈沖后，在低于臨界能量Ec情況下，IGBT的漏電流，閾值電壓沒有變化，然而，隨著脈沖次數(shù)的增加，正向壓降Vce增加，短路電流Isc減小。失效分析表明，大約10000周次后，鋁金屬化層電阻率增加，鋁重構(gòu)引起的芯片金屬化層嚴(yán)重退化，并且鍵合線也退化。

24600次短路造成的鋁重構(gòu)

必懂知識(shí)：

數(shù)據(jù)手冊怎么說？

IGBT單管舉例：IKW25T120,25A 1200V單管的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了短路次數(shù)小于1000次，間隔大于1秒。

結(jié)論

毋庸置疑，IGBT短路是兇險(xiǎn)工況，而在很多應(yīng)用中不能避免，承受短路電流造成的瞬時(shí)功率和極端高溫，需要芯片和器件承擔(dān)。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師就要考慮：

1. 短路工況極其復(fù)雜，不是設(shè)計(jì)出來的，都是意外

2. 器件在短路時(shí)可能損壞，選擇能承受短路電流，工藝穩(wěn)定的可靠器件

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)做好檢測與保護(hù)

參考資料

1.REPETITIVE SHORT CIRCUIT BEHAVIOUR OF TRENCH-/FIELD-STOP IGBTS

2.Experimental behavior of single chip IGBT and CoolMOS? devices under repetitive short-circuit condition

3.Short Circuit Properties of Trench-/Field-Stop-IGBTs –Design Aspects for a Superior Robustness

4.Aluminium Modification as Indicator of Current Filaments in IGBTs under Repetitive Short-Circuit Operation

審核編輯 黃宇