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IGBT在系统中短路能力及验证方法研究

作者:海飞乐技术 时间:2019-10-08 16:54

  IGBT作为核心器件其短路能力一直备受工程师的关注。由于实际应用中工况千差万别,工作模式状态和保护策略各不相同,需要针对不同的应用场景来进行合理的器件选型测试验证和保护策略设计。很多学者已经对IGBT器件短路能力进行了大量研究工作,如通过有限元仿真短路时结温变化,通过VGS饱和电压和冷却工况下饱和电流响应时温度延迟的关系来推断结温等,但这些方法运用起来都比较复杂。本文通过Excel来拟合IGBT短路测试的波形,结合瞬态曲线来计算IGBT短路时的温升,更加快捷方便和实用。
 
1. IGBT器件短路测试标准
  根据IEC 60747,短路测试有两种:①负载已经短路,然后再开通IGBT,集电极电流逐步上升;②IGBT处于通态(VCE=VCE.sat)时再将负载短路。一般默认为短路测试①,而短路测试②更加严格。由于集电极—发射极电压VCE的变化率dVCE/dt,米勒电容形成的栅极电压从栅极—发射极电压VGE增加,这将引起集电极电流快速增加和高峰值能量,栅极电压箝位保护电路就显得很有必要。
  无论哪种短路方式,当ICE电流很大时,关断IGBT就很危险,容易导致其损坏。所以关断要尽量缓慢,避免产生过高的集电极—发射极电压VCE关断尖峰电压。另外,驱动电压越大或结温越高,短路能力越弱。
 
2. IGBT短路的失效模式
  IGBT短路能力与其晶圆芯片的大小、环境温度、驱动电压、芯片内部架构等都有关系。IGBT短路的失效模式随着其内部结构和系统短路测试工况的不同而不同。
  失效模式①:IGBT可以正常关断,但关断后几微秒便失效,芯片过能量导致热暴走失效。
  失效模式②:IGBT在关断瞬间即失效,芯片因为过温度而锁死。
  这两种失效模式都与IGBT结温相关。
  失效模式③:IGBT在短路工作中便失效,芯片因过电流损坏。
  IGBT芯片内部实际上由很多单个的小IGBT并联组成,当瞬间短路电流流过时,由于参数不一致等原因引起的均流问题将导致某个小的IGBT烧坏。
  如果过于强调IGBT器件的短路能力,可能会增加器件晶圆的大小从而提高成本,还可能会牺牲其他方面的性能,如关断损耗Eoff、饱和电压VCE.sat等,因此器件设计就需要综合考虑各种参数,达到一种性能、成本的最佳平衡。
 
3. IGBT WR5器件短路测试
  针对英飞凌的IGBT WR5进行了器件短路测试,测试电压Vdc为311 V。测试波形如图1所示,其中VGE的短路驱动脉冲时间为2.1μs,驱动电压上升后IGBT工作在线性放大区,由于寄生电感的存在,ICE电流逐步上升。通过Excel拟合得到图2所示的数据。查看数据手册,当脉冲时间为4μs时对应的瞬态热阻为0.003 4℃/W,计算IGBT的温升为:ΔTJ=P×Rth.ja=84.028 kW×0.003 4℃/W≈285.7℃

IGBT器件短路测试波形 
图1 IGBT器件短路测试波形
拟合IGBT短路波形 
图2 拟合IGBT短路波形
 
  IGBT在短时间内可以承受大的温升应力,如短时间的回流焊和波峰焊,并且晶圆芯片在加工过程中(如塑封后烘焙)也会有两百多摄氏度的高温过程。
 
4. 系统应用测试及其验证
  为了进一步验证IGBT WR5在系统中的短路能力,针对空调系统进行了测试。测试电路图如图3所示,其中L为PFC电感,S为短路PFC电感L的开关,Ls和Rp分别为系统中的寄生电感和寄生阻抗。交流输入电压上电后,闭合开关S用来短路PFC电感L,然后通过脉冲电压开通IGBT。系统中已经存在硬件短路保护电路和软件短路保护策略,系统短路保护策略包括IGBTICE过流保护、VCE饱和电压保护和VGS钳位电压保护等。
空调系统短路测试电路图 
图3 空调系统短路测试电路图
 
  系统短路,IGBT驱动电压VGE建立起来后,由于系统中寄生电感和寄生电阻的存在,IGBT迅速进入饱和导通状态,VCE下降到饱和电压,ICE缓缓上升。当ICE上升到一定的值,硬件和软件短路保护被触发,VGE迅速下降到零,ICE缓缓下降,VCE被迅速抬高。系统中的寄生电感会极大地影响IGBT器件短路的波形从而影响其短路功耗。通过IGBT电流ICE上升波形和VCE电压,同时对测试波形拟合数据,如图4所示。可得,IGBT短路测试时的损耗为一个长约0.5μs、高为76 kW的三角形,等效为一个时间为2μs、高为9.5 kW的矩形波。同理,可以计算出IGBT的温升为(根据数据手册,2μs对应热阻为0.002℃/W):ΔTJ=P×Rth.ja=9.5 kW×0.002℃/W=19℃
系统短路测试波形拟合图 
图4 系统短路测试波形拟合图
 
  可以看出,系统短路中IGBT的温升要远远小于单个器件短路测试的温升,这正是由于系统应用的寄生电感、寄生电阻以及各种硬件和软件保护电路起到了很大作用。
 
5. 结语
  本文分析了IGBT单管器件短路测试、短路机理及失效模式,针对英飞凌WR5 IGBT进行了测试分析计算。在系统设计中不能盲目追求器件的短路能力,而要结合实际系统中具体的应用条件和工况来选择合适的IGBT,并设计相应合理的保护电路,既能充分发挥IGBT器件能力,又能满足系统中功能和测试要求,并兼顾系统的可靠性和成本。




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