引言

IGBT作為核心器件其短路能力一直備受工程師的關注。由于實際應用中工況千差萬別,工作模式狀態(tài)和保護策略各不相同,需要針對不同的應用場景來進行合理的器件選型測試驗證和保護策略設計。很多學者已經對IGBT器件短路能力進行了大量研究工作,如通過有限元仿真短路時結溫變化,通過VGs飽和電壓和冷卻工況下飽和電流響應時溫度延遲的關系來推斷結溫等,但這些方法運用起來都比較復雜。本文通過Exce1來擬合IGBT短路測試的波形,結合瞬態(tài)曲線來計算IGBT短路時的溫升,更加快捷方便和實用。

1lGBT器件短路測試標準

根據IEC60747,短路測試有兩種:①負載已經短路,然后再開通IGBT,集電極電流逐步上升:②IGBT處于通態(tài)(VCE=VCE.sat)時再將負載短路。一般默認為短路測試①,而短路測試②更加嚴格。由于集電極一發(fā)射極電壓VCE的變化率dVCE/d1,米勒電容形成的柵極電壓從柵極一發(fā)射極電壓VGE增加,這將引起集電極電流快速增加和高峰值能量,柵極電壓箱位保護電路就顯得很有必要。

無論哪種短路方式,當ICE電流很大時,關斷IGBT就很危險,容易導致其損壞。所以關斷要盡量緩慢,避免產生過高的集電極一發(fā)射極電壓VCE關斷尖峰電壓。另外,驅動電壓越大或結溫越高,短路能力越弱。

2lGBT短路的失效模式

IGBT短路能力與其晶圓芯片的大小、環(huán)境溫度、驅動電壓、芯片內部架構等都有關系。IGBT短路的失效模式隨著其內部結構和系統(tǒng)短路測試工況的不同而不同。

失效模式①:IGBT可以正常關斷,但關斷后幾微秒便失效,芯片過能量導致熱暴走失效。

失效模式②:IGBT在關斷瞬間即失效,芯片因為過溫度而鎖死。

這兩種失效模式都與IGBT結溫相關。

失效模式③:IGBT在短路工作中便失效,芯片因過電流損壞。

IGBT芯片內部實際上由很多單個的小IGBT并聯(lián)組成,當瞬間短路電流流過時,由于參數不一致等原因引起的均流問題將導致某個小的IGBT燒壞。

如果過于強調IGBT器件的短路能力,可能會增加器件晶圓的大小從而提高成本,還可能會犧牲其他方面的性能,如關斷損耗Eof、飽和電壓VCE.sat等,因此器件設計就需要綜合考慮各種參數,達到一種性能、成本的最佳平衡。

3lGBTWR5器件短路測試

針對英飛凌的IGBTwR5進行了器件短路測試,測試電壓Vdc為3llV。測試波形如圖l所示,其中VGE的短路驅動脈沖時間為2.lus,驅動電壓上升后IGBT工作在線性放大區(qū),由于寄生電感的存在,ICE電流逐步上升。通過Exce1擬合得到圖2所示的數據。查看數據手冊,當脈沖時間為4us時對應的瞬態(tài)熱阻為0.0034℃/w,計算IGBT的溫升為:

圖2擬合lGBT短路波形

IGBT在短時間內可以承受大的溫升應力,如短時間的回流焊和波峰焊,并且晶圓芯片在加工過程中(如塑封后烘焙)也會有兩百多攝氏度的高溫過程。

4系統(tǒng)應用測試及其驗證

為了進一步驗證IGBTwR5在系統(tǒng)中的短路能力,針對空調系統(tǒng)進行了測試。測試電路圖如圖3所示,其中L為PFC電感,s為短路PFC電感L的開關,Ls和Rp分別為系統(tǒng)中的寄生電感和寄生阻抗。交流輸入電壓上電后,閉合開關s用來短路PFC電感L,然后通過脈沖電壓開通IGBT。系統(tǒng)中已經存在硬件短路保護電路和軟件短路保護策略,系統(tǒng)短路保護策略包括IGBTICE過流保護、vCE飽和電壓保護和vGs鉗位電壓保護等。

圖3空調系統(tǒng)短路測試電路圖

系統(tǒng)短路,IGBT驅動電壓vGE建立起來后,由于系統(tǒng)中寄生電感和寄生電阻的存在,IGBT迅速進入飽和導通狀態(tài),vCE下降到飽和電壓,ICE緩緩上升。當ICE上升到一定的值,硬件和軟件短路保護被觸發(fā),vGE迅速下降到零,ICE緩緩下降,vCE被迅速抬高。系統(tǒng)中的寄生電感會極大地影響IGBT器件短路的波形從而影響其短路功耗。通過IGBT電流ICE上升波形和vCE電壓,同時對測試波形擬合數據,如圖4所示。可得,IGBT短路測試時的損耗為一個長約0.5us、高為76kw的三角形,等效為一個時間為2us、高為9.5kw的矩形波。同理,可以計算出IGBT的溫升為(根據數據手冊,2us對應熱阻為0.002℃/w):

可以看出,系統(tǒng)短路中IGBT的溫升要遠遠小于單個器件短路測試的溫升,這正是由于系統(tǒng)應用的寄生電感、寄生電阻以及各種硬件和軟件保護電路起到了很大作用。

5結語

本文分析了IGBT單管器件短路測試、短路機理及失效模式,針對英飛凌wR5IGBT進行了測試分析計算。在系統(tǒng)設計中不能盲目追求器件的短路能力,而要結合實際系統(tǒng)中具體的應用條件和工況來選擇合適的IGBT,并設計相應合理的保護電路,既能充分發(fā)揮IGBT器件能力,又能滿足系統(tǒng)中功能和測試要求,并兼顧系統(tǒng)的可靠性和成本。

20220719_62d58faa30334__IGBT在系統(tǒng)中短路能力及驗證方法研究