IGBT的3种短路特性类型

在IGBT的应用中，当外部负载发生故障，或者栅极驱动信号出现异常，或者某个IGBT或二极管突然失效，均可能引起IGBT短路，表现为桥臂内短路、相同短路及接地短路，由于IGBT在短路状态下需要同时承受高压和大电流，并且需要维持一定的时间，因此如果发生了IGBT的短路失效而不能及时有效地控制，将会进一步损坏散热器、电极母线、与之近邻的IGBT及栅极驱动等，造成很大的损失。因此，IGBT的短路能力是一中很重要的参数，影响着IGBT及其系统装置的可靠性。

当IGBT发生短路时，器件所承受的电压来自外部母线电压Vdc，所承受的电流为器件的饱和电流。当短路发生在lGBT阻断时，由于IGBT的MOS沟道已经夹断，IGBT的集电极电流几乎不受集电极-发射极电压（Vce）的影响，而受栅极电压（Vge）的影响较大。然而当短路发生在IGBT导通时，由于IGBT的米勒效应，导致Vge进一歩升高，增加了短路电流。一般情况下，高压IGBT的短路电流承受能力为额定电流的5~10倍。

1）从阻断状态直接进入短路状态

lGBT的短路类型共有3种。第1种是lGBT从阻断状态直接进入短路状态。IGBT在开始时处于阻断状态下，且集电极-发射极电压Vce值较大，一般在额定电压等级的一半以上。在栅极信号的作用下，lGBT开通并直接进入短路状态。这时的短路电流值等于IGBT在标准栅压（Vge=15V）下的饱和电流值，典型的测试波形如图1所示。可以看出。IGBT在短路状态下需要同时承受高压和大电流，并维持一段时间（一般为10μs）。由于芯片在短路状态下的结温升高，短路电流隔时间增加而变小。在lGBT关断时，Vce会发生过冲，为了避免Vce峰值超过额定电压值，一般将栅极关断电阻Rgoff设置较大，控制电流变化率di/dt的大小，实现软关断。

2）从导通状态直接进入短路状态

第2种是lGBT从导通状态直接进入短路状态。即IGBT在正向导通状态下发生短路，集电极电流Ic从额定电流值迅速升高。电流变化率di/dt由集电极-发射极电压Vce与串联电感LSC决定。在这个过程中，由于米勒效应导致栅压升高，因此短路电流峰值比第1种情况更大。如图2所示。这种情况下lGBT需要承受更严峻的考验，为了保护lGBT，需要在驱动电路中采用栅极电压箝位措施。

3）从阻断状态首先进入导通状态，然后进入短路状态

第3种是IGBT从阻断状态首先进入导通状态，然后进入短路状态。开始时快恢复二极管（FRD）处于正向导通状态，与之反并联连接的lGBT处于阻断状态，发生短路后FRD从正向导通进入反向恢复状态，因此IGBT会首先开通进入导通状态，紧接着进入短路状态，如图3所示。这种情况下IGBT受短路冲击的严峻性与第二种短路情况基本相同，但是FRD在反向恢复的状态下需要承受很大的电压变化率（dv/dt）的冲击，其受冲击的程度比IGBT更严峻。

综上所述，IGBT在第2种短路类型下所承受短路的冲击比在第1种短路类型下所承受的短路冲击更大。第3种短路类型对IGBT的冲击与第2种相似，面对FRD的冲击相对更大一些。

根据短路失效发生的时间顺序，可以将IGBT的短路过程的失效分为：短路开始时的过流失效、短路过程中的稳态失效、短路关断时的过压失效及短路关断后的过热失效，如图4所示。

短路开始时的过流失效主要由闩锁效应引起，而目前抗闩锁技术较为成熟，一般较少发生，短路关断时的过压失效主要由过大的电流变化率（di/dt）导致，过压则可以通过分步关断，降低关断的di/dt来避免。因此，目前最常见的IGBT失效是短路过程中的稳态失效和短路关断后的过热失效。过热失效主要发生在中低压IGBT。对高压IGBT而言，最主要的失效是稳态失效，这是因为中低压lGBT的衬底较薄，功率密度大。工作时温升快而大，容易发生热击穿，而高压IGBT的衬底较厚，功率密度相对较低，工作时的温升相对较小，其短路能力主要受电流局部集中而击穿的限制。