IGBT在系統(tǒng)中短路能力及驗證方法研究

引言

IGBT作為核心器件其短路能力一直備受工程師的關(guān)注。由于實際應(yīng)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(yīng)用場景來進行合理的器件選型測試驗證和保護策略設(shè)計。很多學(xué)者已經(jīng)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(jié)溫變化,通過VGs飽和電壓和冷卻工況下飽和電流響應(yīng)時溫度延遲的關(guān)系來推斷結(jié)溫等,但這些方法運用起來都比較復(fù)雜。本文通過Exce1來擬合IGBT短路測試的波形,結(jié)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(jù)IEC60747,短路測試有兩種:①負載已經(jīng)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(guān)斷IGBT就很危險,容易導(dǎo)致其損壞。所以關(guān)斷要盡量緩慢,避免產(chǎn)生過高的集電極一發(fā)射極電壓VCE關(guān)斷尖峰電壓。另外,驅(qū)動電壓越大或結(jié)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(qū)動電壓、芯片內(nèi)部架構(gòu)等都有關(guān)系。IGBT短路的失效模式隨著其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guān)斷,但關(guān)斷后幾微秒便失效,芯片過能量導(dǎo)致熱暴走失效。

失效模式②:IGBT在關(guān)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(jié)溫相關(guān)。

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(nèi)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(shù)不一致等原因引起的均流問題將導(dǎo)致某個小的IGBT燒壞。

如果過于強調(diào)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(guān)斷損耗Eof、飽和電壓VCE.sat等,因此器件設(shè)計就需要綜合考慮各種參數(shù),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(qū)動脈沖時間為2.lus,驅(qū)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(shù)據(jù)。查看數(shù)據(jù)手冊,當脈沖時間為4us時對應(yīng)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(nèi)可以承受大的溫升應(yīng)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(yīng)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(diào)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(guān),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(guān)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(jīng)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(diào)系統(tǒng)短路測試電路圖

系統(tǒng)短路,IGBT驅(qū)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(dǎo)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(shù)據(jù),如圖4所示?？傻?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(jù)數(shù)據(jù)手冊,2us對應(yīng)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(yīng)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(jié)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(shè)計中不能盲目追求器件的短路能力,而要結(jié)合實際系統(tǒng)中具體的應(yīng)用條件和工況來選擇合適的IGBT,并設(shè)計相應(yīng)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。

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