IGBT的短路耐受时间

前 言  

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大家好，上次我们聊了IGBT短路故障类型，这期我们聊一下IGBT的短路耐受时间。我们都知道IGBT的短路耐受时间一般在10us以内，一旦超过这个时间IGBT炸管的风险就会非常高。估计很多小伙伴会有疑问，为什么IGBT的短路耐受时间只有10us？10us又是如何得来的？今天我们就来聊一下这个话题。

IGBT短路产生的能量 

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我们都知道IGBT发生短路故障时会发生退饱和现象，如图1所示。退饱和后IGBT会承受全母线电压，同时集电极电流也上升至额定电流的5-6倍，因此IGBT发生短路时的瞬时功率是非常大的。

图1 IGBT一类短路测试波形

今天我们还是以Infineon IGBT模块FF1400R17IP4为例对本期内容辅以说明。这个模块额定电压为1700V，电流为1400A，短路测试数据如下表所示：

可以看出，IGBT在1000V母线电压，结温150℃的情况下，短路电流为5600A。简单计算可知IGBT短路时的功率在5.6MW左右，这个短时功率是非常大的，但这并不是IGBT失效的主要原因。造成IGBT短路失效的主要原因是5.6MW产生的热量没有及时被释放出去。表1给出的短路允许时间要在10us以内，简单计算可知5.6MW在10us产生的能量也只有56焦耳。56焦耳的热量其实并不大，但是足够摧毁IGBT芯片，因为IGBT芯片也很小，厚度也只有200um左右，图2为该模块由于短路失效导致的炸管图片。

图2 IGBT爆炸图片

有些小伙伴会有疑问56焦耳的热量能把IGBT炸成这样？当然不是，56焦耳只会造成IGBT芯片的本征热失效。失效以后，是功率回路的高电压、大电流把IGBT烧成这样的，这个能量相比56焦耳就大很多了。

IGBT短路热失效机理

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细心的小伙伴可能会发现IGBT的短路电流数据是在150℃测试条件下给出的，也就是IGBT在150°结温下还能够承受10us的短路时间，这也意味着10us以后IGBT芯片的温度还会上升。这时候你可能会问，IGBT短路热失效时芯片的温度是多少呢？或者说IGBT能够承受的最高温度取决于什么？查阅相关书籍才发现IGBT的短路热失效的根本原因是硅芯片超过了最高临界温度（critical temperature）700K[1]，K为热力学温标，700K相当于427℃。

那我们再看看IGBT短路期间的温升是多少，有没有超过427℃，计算公式为：

需要说明的是该公式是这针对一个IGBT芯片的，FF1400R17IP4这个模块内部由12个IGBT芯片组成，形状和参数如图3所示：

图3 IGBT 芯片相关参数

关于芯片在IGBT模块内部的布局可参考老耿以前的一篇文章：

IGBT模块内部是什么样的？

公式1还表明如果IGBT短路工作期间功率密度不变，温度将作为时间的函数线性增加。将所有参数带入公式1，计算可以得出IGBT的温升为108℃，如果起始温度150℃，那IGBT芯片发生短路10us以后会上升至258℃。

这个温度和硅材料的临界温度427℃（700K）差距还是有点大，原因在什么地方呢？反过来讲4.9（56/12）焦耳的的热量不足以将单个IGBT芯片加热到427℃，或者说要想将IGBT加热到427℃需要的时间肯定要大于10us，这个短路耐受时间也和手册不太一致。

通过仔细分析，公式1成立的前提是将单个 igbt芯片当作一个整体来计算的，短路时的功率也均匀分布在芯片内部。然而并非如此，IGBT短路运行过程中，器件内部的自热效应主要集中于芯片的表面（发射极侧）[2]，同时集电极在散热器侧，温度从IGBT的表面扩散至IGBT的底部（集电极）也得需要一定的时间（us级别）。通俗的讲，就是IGBT芯片厚度虽然只有190um，但芯片内部纵向温度也是不均匀的。只要芯片的表面超过了临界温度，IGBT就会出现热失效。如果从这个角度去理解，只把芯片的靠近表面部分加热到700K，而不是将这个芯片加热到700K，那用的时间就会小很多了，这样计算的结果也会更接近于10us，下面我们就来看看IGBT短路耐受时间的详细计算方法。

IGBT短路耐受时间 

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经过前面的分析，如果不考虑由于IGBT芯片内部温度不均匀带来的温度扩散现象，那IGBT芯片的短路耐受时间取决于公式2：

将前面提到的各种参数带入公式2，可以计算出IGBT的短路耐受时间是25us左右，这个时间和数据手册给出短路耐受时间10us差距有点大。公式2还表明IGBT的短路耐受时间随IGBT的集电极电压和饱和电流的增大而减小。

这个时候如果考虑温度的扩散现象，那芯片在190um内的纵向温度分布可以通过热扩散方程进行求解[1]：，

Baliga根据公式4做了一个仿真，如图4所示[1]。这是一个210um厚的对称IGBT结构温度分布，对应于1000A·cm-2的饱和电流密度和200V集电极电压。使用3.5作为KT常数，具体为什么是3.5书中并没有提及。可以看出最高温度发生在上表面，而晶圆底部保持在300K。因此非常小体积的硅被升到更高的温度，这使得IGBT承受短路时间比公式2小得多。

图4 IGBT 短路关断期间内部温度分布仿真

为了更精确的计算IGBT短路耐受时间，需要对公式2引入KT常数进行修正，公式为：

那KT取多少才合适呢？老耿也不清楚，干脆也取个3.5试试吧，直接将公式2的计算结果除以3.5，答案为7us左右，虽然和10us比较接近了，但显然是不对的，可能是KT取值不准确的原因。Baliga书籍上也没有给出KT是如何得来的详细说明，比较确定的是KT和芯片的结构有一定的关系，知道的小伙伴麻烦告诉老耿。。。

总结 

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① IGBT短路热击穿失效最根本原因芯片的温度超过了si的临界温度700K。

② IGBT短路时产生的自热效应主要集中在IGBT的发射极侧，且芯片内部温度分布也不是均匀的。

③ 文中最后给出计算IGBT短路耐受时间的公式，缺少一个常数KT，希望懂行的小伙伴告诉老耿这个值是如何获取的，不胜感激。。。

审核编辑 ：李倩