功率半导体冷知识:IGBT短路结温和次数

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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?

结温

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

浪涌电流和电压波形

仿真的温度(Si aktiv硅有源区)

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。

IGBT2 NPT和IGBT3

IGBT2 NPT和IGBT3

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。

电流丝温度

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

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

短路波形,短路电流近万安培

4个模块的短路次数

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

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。

IGBT单管举例

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

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