IGBT短路耐受时间为什么是10us？_芯片_温度

01 序言

大家好，上次我们聊了IGBT短路故障类型，这期我们聊一下IGBT的短路耐受韶光。
我们都知道IGBT的短路耐受韶光一样平常在10us以内，一旦超过这个韶光IGBT炸管的风险就会非常高。
估计很多小伙伴会有疑问，为什么IGBT的短路耐受韶光只有10us？10us又是如何得来的？本日我们就来聊一下这个话题。

我们都知道IGBT发生短路故障时会发生退饱和征象，如图1所示。
退饱和后IGBT会承受全母线电压，同时集电极电流也上升至额定电流的5-6倍，因此IGBT发生短路时的瞬时功率是非常大的。

本日我们还是以Infineon IGBT模块FF1400R17IP4为例对本期内容辅以解释。
这个模块额定电压为1700V，电流为1400A，短路测试数据如下表所示：

可以看出，IGBT在1000V母线电压，结温150℃的情形下，短路电流为5600A。
大略打算可知IGBT短路时的功率在5.6MW旁边，这个短时功率是非常大的，但这并不是IGBT失落效的紧张缘故原由。
造成IGBT短路失落效的紧张缘故原由是5.6MW产生的热量没有及时被开释出去。
表1给出的短路许可韶光要在10us以内，大略打算可知5.6MW在10us产生的能量也只有56焦耳。
56焦耳的热量实在并不大，但是足够摧毁IGBT芯片，由于IGBT芯片也很小，厚度也只有200um旁边，图2为该模块由于短路失落效导致的炸管图片。

有些小伙伴会有疑问56焦耳的热量能把IGBT炸成这样？当然不是，56焦耳只会造成IGBT芯片的本征热失落效。
失落效往后，是功率回路的高电压、大电流把IGBT烧成这样的，这个能量比较56焦耳就大很多了。

细心的小伙伴可能会创造IGBT的短路电流数据是在150℃测试条件下给出的，也便是IGBT在150°结温下还能够承受10us的短路韶光，这也意味着10us往后IGBT芯片的温度还会上升。
这时候你可能会问，IGBT短路热失落效时芯片的温度是多少呢？或者说IGBT能够承受的最高温度取决于什么？查阅干系书本才创造IGBT的短路热失落效的根本缘故原由是硅芯片超过了最高临界温度（critical temperature）700K[1]，K为热力学温标，700K相称于427℃。

那我们再看看IGBT短路期间的温升是多少，有没有超过427℃，打算公式为：

须要解释的是该公式是这针对一个IGBT芯片的，FF1400R17IP4这个模块内部由12个IGBT芯片组成，形状和参数如图3所示：

公式1还表明如果IGBT短路事情期间功率密度不变，温度将作为韶光的函数线性增加。
将所有参数带入公式1，打算可以得出IGBT的温升为108℃，如果起始温度150℃，那IGBT芯片发生短路10us往后会上升至258℃。

这个温度和硅材料的临界温度427℃（700K）差距还是有点大，缘故原由在什么地方呢？反过来讲4.9（56/12）焦耳的的热量不敷以将单个IGBT芯片加热到427℃，或者说要想将IGBT加热到427℃须要的韶光肯定要大于10us，这个短路耐受韶光也和手册不太同等。

通过仔细剖析，公式1成立的条件是将单个 igbt芯片当作一个整体来打算的，短路时的功率也均匀分布在芯片内部。
然而并非如此，IGBT短路运行过程中，器件内部的自热效应紧张集中于芯片的表面（发射极侧）[2]，同时集电极在散热器侧，温度从IGBT的表面扩散至IGBT的底部（集电极）也得须要一定的韶光（us级别）。
普通的讲，便是IGBT芯片厚度虽然只有190um，但芯片内部纵向温度也是不屈均的。
只要芯片的表面超过了临界温度，IGBT就会涌现热失落效。
如果从这个角度去理解，只把芯片的靠近表面部分加热到700K，而不是将这个芯片加热到700K，那用的韶光就会小很多了，这样打算的结果也会更靠近于10us，下面我们就来看看IGBT短路耐受韶光的详细打算方法。

04 IGBT短路耐受韶光

经由前面的剖析，如果不考虑由于IGBT芯片内部温度不屈均带来的温度扩散征象，那IGBT芯片的短路耐受韶光取决于公式2：

将前面提到的各种参数带入公式2，可以打算出IGBT的短路耐受韶光是25us旁边，这个韶光和数据手册给出短路耐受韶光10us差距有点大。
公式2还表明IGBT的短路耐受韶光随IGBT的集电极电压和饱和电流的增大而减小。

这个时候如果考虑温度的扩散征象，那芯片在190um内的纵向温度分布可以通过热扩散方程进行求解[1]：

Baliga根据公式4做了一个仿真，如图4所示[1]。
这是一个210um厚的对称IGBT构造温度分布，对应于1000A·cm-2的饱和电流密度和200V集电极电压。
利用3.5作为KT常数，详细为什么是3.5书中并没有提及。
可以看出最高温度发生在上表面，而晶圆底部保持在300K。
因此非常小体积的硅被升到更高的温度，这使得IGBT承受短路韶光比公式2小得多。

为了更精确的打算IGBT短路耐受韶光，须要对公式2引入KT常数进行改动，公式为：

那KT取多少才得当呢？老耿也不清楚，干脆也取个3.5试试吧，直接将公式2的打算结果除以3.5，答案为7us旁边，虽然和10us比较靠近了，但显然是不对的，可能是KT取值不准确的缘故原由。
Baliga书本上也没有给出KT是如何得来的详细解释，比较确定的是KT和芯片的构造有一定的关系，知道的小伙伴麻烦见告老耿。
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05 总结

① IGBT短路热击穿失落效最根本缘故原由芯片的温度超过了si的临界温度700K。

② IGBT短路时产生的自热效应紧张集中在IGBT的发射极侧，且芯片内部温度分布也不是均匀的。

③ 文中末了给出打算IGBT短路耐受韶光的公式，短缺一个常数KT希望懂行的小伙伴见告个值是如何获取的，不胜感激。
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