IGBT芯片自身的短路分析

一.現(xiàn)象分類

這里，我們只關(guān)注IGBT芯片自身的短路，不考慮合封器件中并聯(lián)的二極管或者是RC-IGBT的寄生二極管。

當(dāng)前業(yè)界一般把IGBT的短路分為兩類，第一類短路（Type I）和第二類短路(Type II)。

第一類短路

是指IGBT的CE極在IGBT的柵極信號(hào)發(fā)出之前，就已經(jīng)與強(qiáng)電壓源形成了并聯(lián)。即：IGBT溝道打開之前，IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，之后Vge控制溝道打開，強(qiáng)電壓源發(fā)出的大電流灌入到IGBT溝道。此時(shí)溝道中流通的電流即可認(rèn)為是IGBT的短路電流。

例如，當(dāng)Boost 電路中的續(xù)流二極管在續(xù)流的過程中發(fā)生損壞，此時(shí)二極管相當(dāng)于短路，但I(xiàn)GBT柵極電壓為零，CE承受的電壓應(yīng)力仍為輸出電壓Vo，此時(shí)輸出側(cè)的母線電容作為強(qiáng)電壓源，給IGBT短路提供能量，下一次IGBT柵極驅(qū)動(dòng)為高時(shí)，短路發(fā)生，這樣的短路即為第一類短路。

穩(wěn)態(tài)的短路電流和短路時(shí)間還是溫度的強(qiáng)函數(shù)，這是由于溫度上升后，IGBT的跨導(dǎo)會(huì)下降，最明顯的表現(xiàn)就是，在一個(gè)短路脈沖中，IGBT的短路電流是隨時(shí)間略有下降的，就是因?yàn)镮GBT內(nèi)部的結(jié)溫發(fā)生了急劇變化導(dǎo)致跨導(dǎo)減小。

第二類短路

是指IGBT的在導(dǎo)通的過程中，通過外部手段，先將電流控制到IGBT飽和態(tài)的最大電流。這里的外部手段可以是通過延長(zhǎng)占空比的方式，也可以是突然將IGBT的CE極與強(qiáng)電壓源并聯(lián)的方式。飽和態(tài)電流上升斜率由回路的電感及驅(qū)動(dòng)電壓，跨導(dǎo)等決定，電源電壓施加在電感上。

當(dāng)電流達(dá)到飽和態(tài)最大電流時(shí)，IGBT開始退飽和，電流下降到短路電流Isc，線路中的電感不再承受高壓，IGBT從飽和模式退出到短路工作模式，電源電壓施加到了IGBT的CE之間。

為了更清晰地區(qū)分兩類短路，下圖給出第一類短路SC1與第二類短路SC2的典型波形對(duì)比。

了解了兩類短路現(xiàn)象，接下來我們看短路失效的機(jī)理。

二.失效機(jī)理

當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)短路失效形式的理解，主要分為以下三種。

A）最大功率限制失效

特別針對(duì)一些高壓的IGBT，例如當(dāng)?shù)谝活惗搪烽_通時(shí)刻達(dá)到短路電流峰值時(shí)，IGBT 芯片單位面積的功率往往也達(dá)到了最大值。

B）最大能量限制失效

過大的能量積累使得IGBT芯片局部元胞發(fā)生了過溫，這種失效機(jī)理在業(yè)界是被最廣泛接受的。

C）不均勻關(guān)斷失效

單個(gè)芯片的多個(gè)元胞或者多個(gè)芯片的驅(qū)動(dòng)電阻不等，導(dǎo)致IGBT短路關(guān)斷的時(shí)刻部分元胞或者芯片發(fā)生閂鎖，進(jìn)而導(dǎo)致失效。

三種失效形式可用下圖簡(jiǎn)要示意。

這里我們重點(diǎn)關(guān)注第二種失效機(jī)理--能量限制失效

這種失效形式告訴我們，可以預(yù)先給IGBT規(guī)定一個(gè)臨界失效的能量值Ec。那么問題變成：短路操作的能量Esc，高于Ec會(huì)發(fā)生什么，低于Ec會(huì)發(fā)生什么。

Q1：短路能量高于Ec，IGBT會(huì)在何時(shí)發(fā)生損壞？

分為兩種情況：

Case1：短路驅(qū)動(dòng)脈寬足夠長(zhǎng)，那么功率的積分一定會(huì)超過Ec造成損壞。

Case2：短路驅(qū)動(dòng)脈寬與允許的短路維持時(shí)間接近，短路能量略大于Ec。這種情況下，大多數(shù)IGBT會(huì)呈現(xiàn)下圖這樣的波形，即IGBT并未在關(guān)斷前損壞，而是關(guān)斷后經(jīng)歷了Tfail時(shí)間后才擊穿。

通過仿真也可以得到類似的結(jié)論：例如當(dāng)把柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)間為16us時(shí)，IGBT在短路發(fā)生后的200us內(nèi)都未擊穿，但把柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)間增加2us，短路能量也隨之增加，此時(shí)IGBT在100us左右出現(xiàn)擊穿。

對(duì)于這種“延遲失效”，業(yè)界普遍認(rèn)可的解釋是：

短路能量E使得芯片內(nèi)部熱積累，結(jié)溫超過了一定值之后，IGBT的集電極與發(fā)射極的漏電流急劇增加，并形成溫度-漏電流的正反饋，這種正反饋被稱為熱失控（Thermal Runaway）。

另一方面，從失效的延遲時(shí)間TFail也與短路能量的關(guān)聯(lián)性也可以定性地反映出這種熱失控解釋的合理性。

Q2：短路能量低于Ec時(shí)，短路損壞就不會(huì)發(fā)生了嗎？

當(dāng)給定的短路能量低于Ec時(shí)，單次短路不一定會(huì)損壞，但是多次重復(fù)短路測(cè)試就不一定了。

下圖給出了同一款產(chǎn)品，不同工藝的IGBT的重復(fù)性短路測(cè)試，縱坐標(biāo)是失效前的短路測(cè)試次數(shù)，橫坐標(biāo)是給定的短路能量。每一個(gè)點(diǎn)代表一顆具體的器件。

可見，即使短路能量小于臨界能量，重復(fù)性短路實(shí)驗(yàn)依舊能將IGBT擊穿。根據(jù)擊穿前的次數(shù)分布，我們可以定義臨界能量。

有了現(xiàn)象描述和機(jī)理分析，接下來我們便可以做一些定量標(biāo)準(zhǔn)的討論了。

三.定量標(biāo)準(zhǔn)

定量標(biāo)準(zhǔn)的制定，是可以站在兩個(gè)設(shè)計(jì)和應(yīng)用兩個(gè)角度的。

在設(shè)計(jì)角度，器件設(shè)計(jì)師需要知道最容易發(fā)生短路的工況是那種，環(huán)溫是多少，此時(shí)最大可能的短路能量是多少，以及諸如此類的種種輸入指標(biāo)型的問題。

但今天為了方便電力電子工程師的閱讀，我們站在應(yīng)用的角度，假設(shè)半導(dǎo)體器件廠商給我們了一份IGBT的Datasheet，我們應(yīng)該做哪些工作，確保我們的系統(tǒng)在IGBT短路工況不會(huì)損壞？

在大部分的IGBT規(guī)格書中，都會(huì)規(guī)定IGBT的短路電流指標(biāo)，一般給出短路電流Isc或者短路時(shí)間Tsc。這個(gè)短路電流指標(biāo)一般是第一類短路類型。在給出這些指標(biāo)的同時(shí)，都會(huì)給出短路電流的測(cè)試條件。測(cè)試條件中一般會(huì)標(biāo)明以下內(nèi)容：

1）Vcc電壓，其實(shí)就是短路測(cè)試條件下的Vce電壓，或者短路測(cè)試的母線電容電壓；

2）Vge電壓，即驅(qū)動(dòng)電壓；

3）Rg驅(qū)動(dòng)電阻；

4）測(cè)試溫度，一般會(huì)給25度，但部分產(chǎn)品也會(huì)給出125度條件或150度條件的；

5）部分規(guī)格書還會(huì)給出短路測(cè)試的最大重復(fù)次數(shù)。

Case1：對(duì)于給出短路電流的，我們可以得到短路工況能夠拉出的電荷量Q，從而指導(dǎo)濾波電容的選型與設(shè)計(jì)。

Case2：對(duì)于給出短路時(shí)間的，我們需要確保短路保護(hù)的時(shí)間能落在SOA規(guī)定的時(shí)間以內(nèi)，這樣才能保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

Case1只需按工況需求按部就班地的計(jì)算即可，但針對(duì)Case2，我們?nèi)绾伪ＷC？

以最簡(jiǎn)單的過流保護(hù)系統(tǒng)為例，短路保護(hù)的架構(gòu)往往是如下的，必然包括電流采樣檢測(cè)，保護(hù)識(shí)別，輸出動(dòng)作。這種架構(gòu)可以用分立式的器件搭建，也可以用集成IC實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)系統(tǒng)已處于IGBT短路工況，并且在A時(shí)刻IGBT的電流達(dá)到了預(yù)設(shè)的過流保護(hù)點(diǎn)，需要在B時(shí)刻IGBT徹底關(guān)斷，tA到tB的延遲，必須小于IGBT的短路時(shí)間 Tsc 。

那么，tA到tB的延遲包含哪些內(nèi)容呢？

---可以順著這個(gè)過流保護(hù)的架構(gòu)來看：

1）采樣環(huán)節(jié)，可以是電流互感器加濾波，也可以是采樣電阻加濾波。短路電流的上升沿反映到采樣環(huán)節(jié)，必然帶來延遲 TSample ;

2）比較環(huán)節(jié)，一般是采樣過來的過流信號(hào)與比較器預(yù)先設(shè)置的某個(gè)閾值比較，這個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的延遲可以記為 TComp ;

3）動(dòng)作環(huán)節(jié)，涉及到了IGBT的驅(qū)動(dòng)，即從比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)到IGBT驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的延遲 Tdout ；

4）IGBT的柵極關(guān)斷延遲，可以記為 Toff-IGBT ，是從驅(qū)動(dòng)輸出低電平，到IGBT電流下降到零的延遲，這個(gè)延遲與驅(qū)動(dòng)電阻及IGBT的關(guān)斷速度相關(guān)，同時(shí)和溫度也相關(guān)。

為確保IGBT短路工況沒有擊穿風(fēng)險(xiǎn)，這四個(gè)延遲時(shí)間相加必須小于允許的短路時(shí)間Tsc。

需要注意的是，這些延遲都是和溫度以及元器件的一致性有關(guān)聯(lián)的，必須按照最嚴(yán)格的條件來設(shè)計(jì)。

這里有兩點(diǎn)值得討論：

第一點(diǎn)是半導(dǎo)體廠家Datasheet中一般只給一個(gè)短路項(xiàng)目，要么是短路電流，要么是短路時(shí)間，對(duì)于特殊應(yīng)用，我們需要自己根據(jù)項(xiàng)目的條件進(jìn)行更完善的測(cè)試。

第二點(diǎn)是既然短路能量能反映IGBT的短路能力，為什么Datasheet中不給出短路能量的指標(biāo)呢？

我的理解是短路時(shí)間和短路電流相比于短路能量的指標(biāo)更加面向客戶一點(diǎn)，同時(shí)也可以更方便地制定可靠性驗(yàn)證計(jì)劃，不知道這種理解有沒有問題。