功率半導體冷知識：IGBT短路結(jié)溫和次數(shù)

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短時過載情況下的最高工作結(jié)溫可達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。在裝上整機踏上社會的一刻，往往要經(jīng)歷短路試驗這一關(guān)。IGBT的底氣不足或系統(tǒng)保護不給力，就會夭折。

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)動電壓不超過15V時，短路電流典型值是2400A，只要在10us內(nèi)成功關(guān)斷短路電流，器件不會損壞。注意，短路標定的起始溫度是150度，那么短路過程中的結(jié)溫會飆到多高呢？

冷知識1號、二級管發(fā)生浪涌時會超過最高工作結(jié)溫嗎？

為了理解IGBT短路時的溫度，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《功率半導體器件-原理、特性和可靠性》一書，他闡述了快恢復二級管浪涌電流下的芯片內(nèi)部的溫度。

書中有個有趣的例子，這是1200V快恢復二極管，面積49mm2，焊在0.63mm2 DCB上，浪涌電流寬度7.5ms，峰值功率3060W，這時n-有源層溫度高達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），對半導體本身還不會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的改變，但芯片焊料層的溫度也達到186度，這已經(jīng)很邊界了，可能會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)）

冷知識2號、IGBT短路時的溫度知多少

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

那么溫度是怎么分布的呢？

看圖說話

芯片縱向的溫度分布，1200V IGBT在400V時短路，起始溫度是26度，4.5us時，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，電流絲溫度高達367度，但最高點是表面下面一點。

冷知識3號、IGBT可以短路100次嗎？

短路瞬間功耗很大，結(jié)溫會遠超允許工作結(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，給出了有參考價值的實驗數(shù)據(jù)：

實驗是基于3600A 1200V TRENCHSTOP IGBT3，VGE=15V，最高工作結(jié)溫做短路測試，實際短路波形如圖，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3MW！

4個模塊共短路9萬次沒有問題。

當年的實驗用業(yè)內(nèi)做大電流規(guī)格的3600A 1700V模塊

短路波形，短路電流近萬安培

4個模塊的短路次數(shù)

故事2：

Lutz專著中闡述到，短路時存儲的能量不能超過臨界能量Ec，對于短路事件重復、長時間的測試結(jié)果表明：在器件不被損壞的前提下，重復次數(shù)可以高達10000次。對于研究的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：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短路是兇險工況，而在很多應用中不能避免，承受短路電流造成的瞬時功率和極端高溫，需要芯片和器件承擔。對于系統(tǒng)設計工程師就要考慮：

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