【導讀】英飛淩IGBT模塊開關狀態下最高工作結溫一般是150度，而IGBT7短時過載情況下的最高工作結溫可達175度。那麼IGBT模塊一輩子都可以生活在這樣的舒適區享受人生嗎？

IGBT短路特性

英飛淩IGBT模塊開關狀態下最高工作結溫一般是150度，而IGBT7短時過載情況下的最高工作結溫可達175度。那麼IGBT模塊一輩子都可以生活在這樣的舒適區享受人生嗎？

不！模塊出生後2年內必然要走上社會。在裝上整機踏上社會的一刻，往往要經曆短路試驗這一關。IGBT的底氣不足或係統保護不給力，就會夭折。

IGBT在十年甚至幾十年的開關高壓大電流的生涯中，被短路是難免的，不幸可能是來自係統和外部幹擾，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的數據手冊是這樣描述短路能力的
，在驅動電壓不超過15V時，短路電流典型值是2400A，隻要在10us內成功關斷短路電流，器件不會損壞。注意

，短路標定的起始溫度是150度，那麼短路過程中的結溫會飆到多高呢
？

冷知識1號：二級管發生浪湧時會超過最高工作結溫嗎？

為了理解IGBT短路時的溫度，先研究一下二極管的浪湧電流，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

，他闡述了快恢複二級管浪湧電流下的芯片內部的溫度。

書中有個有趣的例子，這是1200V快恢複二極管
，麵積49mm²
，焊在0.63mm² DCB上
，浪湧電流寬度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的浪湧電流是額定電流的10-12倍），對半導體本身還不會產生不可逆轉的改變，但芯片焊料層的溫度也達到186du，zheyijinghenbianjiele，kenenghuizaochengfengzhuangdebukenizhuandegaibian，suoyishuolangyongdianliurongliangshiyongyufeizhengchangguozaishijian
，erbushigonglvbandaotizhengchanggongzuozhuangtai。

浪湧電流和電壓波形

仿真的溫度（Si aktiv矽有源區）

冷知識2號：IGBT短路時的溫度知多少

在英飛淩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。

那麼溫度是怎麼分布的呢？

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

，芯片背麵發射極溫度77度
，芯片集電極側167度


，由於短路芯片裏的電流呈絲狀，使熱量集中於一點，電流絲溫度高達367度，但最高點是表麵下麵一點。

冷知識3號：IGBT可以短路100次嗎？

短路瞬間功耗很大，結溫會遠超允許工作結溫，那麼短路次數可以是多少呢？

故事1：

2003年英飛淩寫過一篇文章，給出了有參考價值的實驗數據：

實驗是基於3600A 1200V TRENCHSTOP IGBT3，VGE=15V，最高工作結溫做短路測試，實際短路波形如圖，短路脈衝10us
，周期1/3Hz，在這樣的短路條件下，最高瞬態功耗高達3MW！

4個模塊共短路9萬次沒有問題。

當年的實驗用業內做大電流規格的3600A 1700V模塊

短路波形，短路電流近萬安培

4個模塊的短路次數

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，對於短路事件重複、長時間的測試結果表明：在器件不被損壞的前提下
，重複次數可以高達10000次。對於研究的600V IGBT來說
，短路失效完全來自於熱。此外需要特別注意的是在大量的短路脈衝後，在低於臨界能量Ec情況下，IGBT的漏電流，閾值電壓沒有變化
，然而，隨著脈衝次數的增加
，正向壓降Vce增加，短路電流Isc減小。失效分析表明
，大約10000周次後
，鋁金屬化層電阻率增加
，鋁重構引起的芯片金屬化層嚴重退化，並且鍵合線也退化。

24600次短路造成的鋁重構

必懂知識：

數據手冊怎麼說
？

IGBT單管舉例：IKW25T120,25A 1200V單管的數據手冊規定了短路次數小於1000次，間隔大於1秒。

結論

毋庸置疑，IGBTduanlushixiongxiangongkuang，erzaihenduoyingyongzhongbunengbimian，chengshouduanludianliuzaochengdeshunshigonglvhejiduangaowen，xuyaoxinpianheqijianchengdan。duiyuxitongshejigongchengshijiuyaokaolv：

1、短路工況極其複雜
，不是設計出來的，都是意外

2
、器件在短路時可能損壞，選擇能承受短路電流
，工藝穩定的可靠器件

3、係統設計做好檢測與保護

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：英飛淩工業半導體
，原創：陳子穎  

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