IGBT器件短路能力及短路震荡(一)
1、引言
目前，IGBT作为电力电子领域普遍应用的功率半导体器件，短路能力是其重要的技术指标之一，SCSOA 指的是短路安全工作区，用来描述器件的短路鲁棒性。对于功率器件来说，该参数至关重要。在实际应用中，负载短路的情况下，器件在短时间会同时承受大电流、大电压。通常应用电路有短路保护电路，但该电路反应需要时间，通常至少为 10μs，这段时间需要器件能够承受这段非正常工作时间内的压力。本篇暂时只叙述短路能力的设计，短路震荡的问题将在下一篇中详解。
2、短路分类
短路工况分为三类：（1）一类为直接短路负载情况下，导通IGBT，此时短路负载电感很小，IGBT从关断状态进入短路状态，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。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)。（2）第二类为从导通状态下进入短路状态。（3）第三类为从关断状态进入导通状态在进入短路状态。由于一类短路是IGBT器件经常遇到的工况，且其工况更为严苛，此片只描述一类短路。
图1 IGBT器件短路测试电路
图2 IGBT器件一类短路测试波形
整个短路过程为：
1）器件导通之前，因为负载已经短路，此时集射极电压Vce等于母线电压Vdc，集电极电流Ice为零；
2）测试电路外加脉冲抬高栅极电压Vge，随着栅极电压Vge的增大，器件逐渐开启，集电极电流Ice迅速升高。
3）电感上某时刻的电压与通过它的电流的变化率di/dt以及电感值L0成正比。所以IGBT导通时迅速增加的集电极电流Ice在负载电感L0上产生感应电压，母线电压Vdc被电感分担一部分，导致集射极与发射极间电压Vce下降。
4）IGBT集射极电压Vce的变化，会通过米勒电容Cgc反馈给栅极。Vce减小使 Vge增大，根据IGBT输出特性，Ice随Vge同步增大，所以在Vge达到峰值处，Ice也达到短路峰值电流Isc,peak。
5）在集电极电流Ice的上升速率开始减小时，电感电压V0减小，Vce开始从最低值增大，Vce增大又导致Vge减小，进而导致Ice减小；因为Vge增大在密勒电容上感应出电流，该反向电流流过回路负载电感L0，感应出反向电压，导致Vce大于Vdc。
6）当Vce稳定后，不再产生感应电压，即Vce重新等于Vdc，此阶段为短路稳态，Vce几乎不变。由于短路稳态阶段高电压和大电流同时施加在器件上，导致器件结温不断上升，而载流子迁移率随结温升高而减小，所以曲线上能看到短路电流随 Tmax升高有下降的趋势。
7）在短路稳态后的关断过程，Ice跟随栅极电压Vge的下降而逐渐减小，因为集电极的电流下降率很大，所以在电感上感生出很大的反向电压，导致Vce产生正向的电压尖峰。
3、IGBT器件短路设计
由于在短路工作期间没有负载阻抗，在IGBT结构中其饱和电流变成了短路工况下流过电流的唯一限制。如下公式表示在短路期间IGBT结构单位面积的功耗：
式中，Vdc是母线电压，Isat是由栅极电压所决定的饱和电流密度。假设功率加在整个芯片上，且暂时不考虑瞬时散热，根据热平衡方程：
得出温升公式：
式中，C是比热容，S是芯片有源区面积，S是芯片有源区面积，ρ是材料密度，W是芯片厚度，t是短路时间。
内建电势决定着零偏置耗尽层宽度，某一温度下内建电势变为0后，PN结失控，对于硅器件，这个温度大约为700K。所以可以通过上式计算出芯片需求的短路时间。
4、参考文献
[1]王禹,陈子墨,花清源,等.1700V Primepack IGBT短路栅极振荡试验与分析[J].集成电路应用,2022,39(06):24-27.DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2022.06.010.
[2]王万.基于1200V沟槽栅FS IGBT的短路鲁棒性研究及工艺优化[D].电子科技大学,2022.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2022.004263.
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