功率半导体冷知识：IGBT短路结温和次数

作者：陈子颖 ，来源： 英飞凌工业半导体

IGBT短路特性

英飞凌IGBT模块开关状态下最高工作结温一般是150度，而IGBT7短时过载情况下的最高工作结温可达175度。那么IGBT模块一辈子都可以生活在这样的舒适区享受人生吗？

不！模块出生后2年内必然要走上社会。在装上整机踏上社会的一刻，往往要经历短路试验这一关。IGBT的底气不足或系统保护不给力，就会夭折。

IGBT在十年甚至几十年的开关高压大电流的生涯中，被短路是难免的，不幸可能是来自系统和外部干扰，甚至是人为操作失误。

IGBT是允许短路的，完全有这样的底气，EconoDUAL™3 FF600R12ME4 600A 1200V的数据手册是这样描述短路能力的，在驱动电压不超过15V时，短路电流典型值是2400A，只要在10us内成功关断短路电流，器件不会损坏。注意，短路标定的起始温度是150度，那么短路过程中的结温会飙到多高呢？

二级管发生浪涌时会超过最高工作结温吗？

为了理解IGBT短路时的温度，先研究一下二极管的浪涌电流，我们一起来读一段Lutz老师的《功率半导体器件-原理、特性和可靠性》一书，他阐述了快恢复二级管浪涌电流下的芯片内部的温度。

书中有个有趣的例子，这是1200V快恢复二极管，面积49mm²，焊在0.63mm DCB上，浪涌电流宽度7.5ms，峰值功率3060W，这时n-有源层温度高达385度，这还在破坏极限以下，（FRD的浪涌电流是额定电流的10-12倍），对半导体本身还不会产生不可逆转的改变，但芯片焊料层的温度也达到186度，这已经很边界了，可能会造成封装的不可逆转的改变，所以说浪涌电流容量适用于非正常过载事件，而不是功率半导体正常工作状态。

浪涌电流和电压波形

仿真的温度（Si aktiv硅有源区）

IGBT短路时的温度知多少

在英飞凌早年的文章找到短路时的温度仿真曲线，比较了IGBT2 NPT和IGBT3短路时的温度，可以看到短路起始温度Tvj=175度时，短路时的最高温度360度和461度之高。

那么温度是怎么分布的呢？

芯片纵向的温度分布，1200V IGBT在400V时短路，起始温度是26度，4.5us时，芯片背面发射极温度77度，芯片集电极侧167度，由于短路芯片里的电流呈丝状，使热量集中于一点，电流丝温度高达367度，但最高点是表面下面一点。

IGBT可以短路100次吗？

短路瞬间功耗很大，结温会远超允许工作结温，那么短路次数可以是多少呢？

故事1：

2003年英飞凌写过一篇文章，给出了有参考价值的实验数据：

实验是基于3600A 1200V TRENCHSTOP IGBT3，VGE=15V，最高工作结温做短路测试，实际短路波形如图，短路脉冲10us，周期1/3Hz，在这样的短路条件下，最高瞬态功耗高达3MW！

4个模块共短路9万次没有问题。

当年的实验用业内做大电流规格的3600A 1200V模块

短路波形，短路电流近万安培

4个模块的短路次数

故事2：

Lutz专著中阐述到，短路时存储的能量不能超过临界能量Ec，对于短路事件重复、长时间的测试结果表明：在器件不被损坏的前提下，重复次数可以高达10000次。对于研究的600V IGBT来说，短路失效完全来自于热。此外需要特别注意的是在大量的短路脉冲后，在低于临界能量Ec情况下，IGBT的漏电流，阈值电压没有变化，然而，随着脉冲次数的增加，正向压降Vce增加，短路电流Isc减小。失效分析表明，大约10000周次后，铝金属化层电阻率增加，铝重构引起的芯片金属化层严重退化，并且键合线也退化。

24600次短路造成的铝重构

必懂知识：

数据手册怎么说？

IGBT单管举例：IKW25T120,25A 1200V单管的数据手册规定了短路次数小于1000次，间隔大于1秒。

结论

毋庸置疑，IGBT短路是凶险工况，而在很多应用中不能避免，承受短路电流造成的瞬时功率和极端高温，需要芯片和器件承担。对于系统设计工程师就要考虑：

1. 短路工况极其复杂，不是设计出来的，都是意外

2. 器件在短路时可能损坏，选择能承受短路电流，工艺稳定的可靠器件

3. 系统设计做好检测与保护

参考资料

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

审核编辑 黄宇