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功率半導體冷知識:IGBT短路結(jié)溫和次數(shù)

發(fā)布時間:2021-12-28 來源:英飛凌工業(yè)半導體 責任編輯:wenwei

【導讀】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?


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?


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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)。


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浪涌電流和電壓波形


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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。


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那么溫度是怎么分布的呢?


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。


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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。


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


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短路波形,短路電流近萬安培


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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。


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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。


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結(jié)論


毋庸置疑,IGBT短路是兇險工況,而在很多應(yīng)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(shè)計工程師就要考慮:


1、短路工況極其復雜,不是設(shè)計出來的,都是意外


2、器件在短路時可能損壞,選擇能承受短路電流,工藝穩(wěn)定的可靠器件


3、系統(tǒng)設(shè)計做好檢測與保護


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


來源:英飛凌工業(yè)半導體,原創(chuàng):陳子穎  



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