IGBT芯片自身的短路分析

一.現象分類

這里，我們只關注IGBT芯片自身的短路，不考慮合封器件中并聯的二極管或者是RC-IGBT的寄生二極管。

當前業界一般把IGBT的短路分為兩類，第一類短路（Type I）和第二類短路(Type II)。

第一類短路

是指IGBT的CE極在IGBT的柵極信號發出之前，就已經與強電壓源形成了并聯。即：IGBT溝道打開之前，IGBT處于截止狀態，之后Vge控制溝道打開，強電壓源發出的大電流灌入到IGBT溝道。此時溝道中流通的電流即可認為是IGBT的短路電流。

例如，當Boost 電路中的續流二極管在續流的過程中發生損壞，此時二極管相當于短路，但IGBT柵極電壓為零，CE承受的電壓應力仍為輸出電壓Vo，此時輸出側的母線電容作為強電壓源，給IGBT短路提供能量，下一次IGBT柵極驅動為高時，短路發生，這樣的短路即為第一類短路。

穩態的短路電流和短路時間還是溫度的強函數，這是由于溫度上升后，IGBT的跨導會下降，最明顯的表現就是，在一個短路脈沖中，IGBT的短路電流是隨時間略有下降的，就是因為IGBT內部的結溫發生了急劇變化導致跨導減小。

第二類短路

是指IGBT的在導通的過程中，通過外部手段，先將電流控制到IGBT飽和態的最大電流。這里的外部手段可以是通過延長占空比的方式，也可以是突然將IGBT的CE極與強電壓源并聯的方式。飽和態電流上升斜率由回路的電感及驅動電壓，跨導等決定，電源電壓施加在電感上。

當電流達到飽和態最大電流時，IGBT開始退飽和，電流下降到短路電流Isc，線路中的電感不再承受高壓，IGBT從飽和模式退出到短路工作模式，電源電壓施加到了IGBT的CE之間。

為了更清晰地區分兩類短路，下圖給出第一類短路SC1與第二類短路SC2的典型波形對比。

了解了兩類短路現象，接下來我們看短路失效的機理。

二.失效機理

當前學術界對短路失效形式的理解，主要分為以下三種。

A）最大功率限制失效

特別針對一些高壓的IGBT，例如當第一類短路開通時刻達到短路電流峰值時，IGBT 芯片單位面積的功率往往也達到了最大值。

B）最大能量限制失效

過大的能量積累使得IGBT芯片局部元胞發生了過溫，這種失效機理在業界是被最廣泛接受的。

C）不均勻關斷失效

單個芯片的多個元胞或者多個芯片的驅動電阻不等，導致IGBT短路關斷的時刻部分元胞或者芯片發生閂鎖，進而導致失效。

三種失效形式可用下圖簡要示意。

這里我們重點關注第二種失效機理--能量限制失效

這種失效形式告訴我們，可以預先給IGBT規定一個臨界失效的能量值Ec。那么問題變成：短路操作的能量Esc，高于Ec會發生什么，低于Ec會發生什么。

Q1：短路能量高于Ec，IGBT會在何時發生損壞？

分為兩種情況：

Case1：短路驅動脈寬足夠長，那么功率的積分一定會超過Ec造成損壞。

Case2：短路驅動脈寬與允許的短路維持時間接近，短路能量略大于Ec。這種情況下，大多數IGBT會呈現下圖這樣的波形，即IGBT并未在關斷前損壞，而是關斷后經歷了Tfail時間后才擊穿。

通過仿真也可以得到類似的結論：例如當把柵極驅動時間為16us時，IGBT在短路發生后的200us內都未擊穿，但把柵極驅動時間增加2us，短路能量也隨之增加，此時IGBT在100us左右出現擊穿。

對于這種“延遲失效”，業界普遍認可的解釋是：

短路能量E使得芯片內部熱積累，結溫超過了一定值之后，IGBT的集電極與發射極的漏電流急劇增加，并形成溫度-漏電流的正反饋，這種正反饋被稱為熱失控（Thermal Runaway）。

另一方面，從失效的延遲時間TFail也與短路能量的關聯性也可以定性地反映出這種熱失控解釋的合理性。

Q2：短路能量低于Ec時，短路損壞就不會發生了嗎？

當給定的短路能量低于Ec時，單次短路不一定會損壞，但是多次重復短路測試就不一定了。

下圖給出了同一款產品，不同工藝的IGBT的重復性短路測試，縱坐標是失效前的短路測試次數，橫坐標是給定的短路能量。每一個點代表一顆具體的器件。

可見，即使短路能量小于臨界能量，重復性短路實驗依舊能將IGBT擊穿。根據擊穿前的次數分布，我們可以定義臨界能量。

有了現象描述和機理分析，接下來我們便可以做一些定量標準的討論了。

三.定量標準

定量標準的制定，是可以站在兩個設計和應用兩個角度的。

在設計角度，器件設計師需要知道最容易發生短路的工況是那種，環溫是多少，此時最大可能的短路能量是多少，以及諸如此類的種種輸入指標型的問題。

但今天為了方便電力電子工程師的閱讀，我們站在應用的角度，假設半導體器件廠商給我們了一份IGBT的Datasheet，我們應該做哪些工作，確保我們的系統在IGBT短路工況不會損壞？

在大部分的IGBT規格書中，都會規定IGBT的短路電流指標，一般給出短路電流Isc或者短路時間Tsc。這個短路電流指標一般是第一類短路類型。在給出這些指標的同時，都會給出短路電流的測試條件。測試條件中一般會標明以下內容：

1）Vcc電壓，其實就是短路測試條件下的Vce電壓，或者短路測試的母線電容電壓；

2）Vge電壓，即驅動電壓；

3）Rg驅動電阻；

4）測試溫度，一般會給25度，但部分產品也會給出125度條件或150度條件的；

5）部分規格書還會給出短路測試的最大重復次數。

Case1：對于給出短路電流的，我們可以得到短路工況能夠拉出的電荷量Q，從而指導濾波電容的選型與設計。

Case2：對于給出短路時間的，我們需要確保短路保護的時間能落在SOA規定的時間以內，這樣才能保證系統的可靠運行。

Case1只需按工況需求按部就班地的計算即可，但針對Case2，我們如何保證？

以最簡單的過流保護系統為例，短路保護的架構往往是如下的，必然包括電流采樣檢測，保護識別，輸出動作。這種架構可以用分立式的器件搭建，也可以用集成IC實現。

假設系統已處于IGBT短路工況，并且在A時刻IGBT的電流達到了預設的過流保護點，需要在B時刻IGBT徹底關斷，tA到tB的延遲，必須小于IGBT的短路時間 Tsc 。

那么，tA到tB的延遲包含哪些內容呢？

---可以順著這個過流保護的架構來看：

1）采樣環節，可以是電流互感器加濾波，也可以是采樣電阻加濾波。短路電流的上升沿反映到采樣環節，必然帶來延遲 TSample ;

2）比較環節，一般是采樣過來的過流信號與比較器預先設置的某個閾值比較，這個環節產生的延遲可以記為 TComp ;

3）動作環節，涉及到了IGBT的驅動，即從比較器輸出電平翻轉到IGBT驅動翻轉產生的延遲 Tdout ；

4）IGBT的柵極關斷延遲，可以記為 Toff-IGBT ，是從驅動輸出低電平，到IGBT電流下降到零的延遲，這個延遲與驅動電阻及IGBT的關斷速度相關，同時和溫度也相關。

為確保IGBT短路工況沒有擊穿風險，這四個延遲時間相加必須小于允許的短路時間Tsc。

需要注意的是，這些延遲都是和溫度以及元器件的一致性有關聯的，必須按照最嚴格的條件來設計。

這里有兩點值得討論：

第一點是半導體廠家Datasheet中一般只給一個短路項目，要么是短路電流，要么是短路時間，對于特殊應用，我們需要自己根據項目的條件進行更完善的測試。

第二點是既然短路能量能反映IGBT的短路能力，為什么Datasheet中不給出短路能量的指標呢？

我的理解是短路時間和短路電流相比于短路能量的指標更加面向客戶一點，同時也可以更方便地制定可靠性驗證計劃，不知道這種理解有沒有問題。