IGBT集电极电压超过额定电压会发生什么?

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作者:赵佳,来源:英飞凌工业半导体

在IGBT数据手册中,显眼的位置都会给出最大额定电压的定义,例如:

FF450R12ME4中关于最大额定电压的定义

FF450R12ME4中关于最大额定电压的定义

我们常常被告诫:实际应用中,IGBT集电极电压绝对不能超过额定值,否则器件有可能被击穿。

然后有的同学并不死心:如果我只超了一点点呢,1210V就会击穿吗?如果只是一个非常短非常短,比如只有1us的脉冲呢?功率器件也没那么脆弱啊对不对?

要回答这个问题,我们真的给它加上过电压试试!

我们把1200V IGBT门极和发射极连接在一起,在集电极和发射极之间施加电压,并且逐步增加电压值,同时观测漏电流。当漏电流急剧上升时,我们称器件发生了雪崩击穿。

雪崩击穿

为什么会发生雪崩击穿?

在IGBT结构中,P阱和N衬底会形成一个PN结。集电极和发射极之间加电压时,相当于给PN结加了一个反向电压,PN结两边形成空间电荷区。当PN结反向电压增加时,空间电荷区中的电场随之增强。这样通过空间电荷区的电子,就会在电场作用下,不断的加速。当电场增加到一定临界值,自由运行的电子获得的速度将足以撞击出其它原子里的电子,产生自由电子和空穴。而新产生的自由电子又会撞击其它原子,继续产生自由电子和空穴。一撞十,十撞百,百撞千,就像滚雪球一样,IGBT内部载流子迅速增加,流过PN结的电流也急剧增大,这种碰撞电离导致击穿就称为雪崩击穿。

雪崩击穿

发生雪崩击穿后器件一定损坏吗?

发生雪崩击穿后器件一定损坏吗?并不是。 功率器件都有一定的雪崩耐量。对于设计良好的IGBT来说,如果雪崩时我们能够把电流控制在很低的水平,即雪崩能量不超该器件的临界能量,那么雪崩击穿是可逆的,可以反复多次测试。而且一般功率器件实际的雪崩击穿电压,都会比标称的额定电压留有一定裕量。

裕量

FF600R17ME4的雪崩击穿曲线,实际击穿电压为2000V

好的,既然器件设计中耐压会有一定的裕量,雪崩后器件也不一定损坏,那电压稍微超一点也不用担心了对不对!

不对!首先要明确的一点是,上述雪崩击穿测试是静态测试,即在器件未开启,没有导通电流时进行测试,这时器件内部只有少量的自由电子。而实际应用中,最常出现过电压的情况,是在IGBT关断时,快速变化的di/dt在回路杂散电感上产生感应电压,叠加在母线电压上,使IGBT集电极承受比较高的电压尖峰。

电压尖峰

在这个过程中,IGBT依然有很大的电流流过,器件内部充盈着大量的电子和空穴。多余载流子变相降低了衬底的电阻率,使衬底的临界电场远低于静态条件下的临界电场,也就是动态下的雪崩击穿电压要远小于静态下的雪崩击穿电压。这时如果集电极出现比较高的电压就容易发生动态雪崩击穿。

好吧,那我就不开关IGBT,总可以多加点电压了吧?也不是!要知道,数据手册上给出的额定电压,是指25℃结温条件下,IGBT阻断电压不低于这个值。但IGBT的阻断电压是随温度的降低而降低的。25℃时额定电压1200V的器件,在零下40℃的条件下,额定电压可能就只有1100V了。另外海拔也是制约IGBT阻断电压的一个因素。海拔越高,宇宙射线引起的失效概率更高,而更高的母线电压会加剧这种失效。所以高海拔应用时一般要做电压降额。

电压降额

现在明白了吧,好好对待你的IGBT,多给它留点裕量。此外还要尽量降低环路杂感电感,避免产生过高的电压尖峰。如果杂感很难降低,也要加点保护,比如有源钳位、两电平关断、吸收电容。详细内容见后篇分解。

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