IGBT厂商数据手册中的短路时间参数准确性解析

      众所周知，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）展现出了其独特的短路承受能力，即能够在遭遇短路状况时，于一定时限内保持完好无损。这一关键性能参数，往往由制造商在其详尽的数据手册中明确标注，作为最大可容忍短路时间的指引。然而，面对标有tsc=10微秒（μs）的IGBT器件，一个引人深思的问题是：是否一旦短路持续时间逾越这10微秒的界限，器件便不可避免地走向损坏的宿命？反之，是否在这10微秒的阈值之内，IGBT就能确保安然无恙？对于此类疑问，答案却并非绝对，而是充满了变数与不确定性，难以一概而论地作出断言。

      诸多不确定因素交织其中，使得问题显得尤为复杂。为了更清晰地剖析，我们首当其冲地需明确一个核心概念——短路时间的界定。在此基础上，我们将目光聚焦于半桥电路这一实验环境，深入探究IGBT（绝缘栅双极型晶体管）所展现的短路特性，具体而言，即SC1与SC2这两种独特表现。如图1所示。

图1：IGBT的半桥测试电路

       SC1型短路是指在IGBT开通前，已经发生短路，测试中电感L需要更换为一个低电感的导线实现桥臂短路。SC2短路是指IGBT开通过程中发生短路。对于SC1型短路，短路时间tp是指电流从上升ISC 10%的时刻开始到短路电流下降的10%之间的时间。对于SC2型短路，这个时间是从CE电压上升到20%的UDC开始，到电流下降到10%的ISC为止。

图2：SC1和SC2短路

      在数据手册中，厂家通常只针对SC1型短路进行标定，对SC2短路却没有相关说明。下表是英飞凌FF1000R33HE3数据手册中给出的短路定义：

      表中，tp（有的数据手册中写作tsc）即最大允许的短路时间，它表明了多长时间的短路会对IGBT产生影响。如果短路时间过长，就有可能损坏元件。因此如果发生短路，需要在短路时间内关断IGBT，这就对驱动电路提出更高的要求。常用短路时间的取值范围在6~10us，而短路电流在4~8倍的额定电流。事实上，短路时间并不是唯一衡量器件短路能力的标准，进一步分析可以看出，短路时芯片内部累积的能量ESC才是器件失效的根本原因。因为短时间大量能量累积在芯片内部，瞬时产生的热量无法快速散去，导致芯片温度急剧升高，从而引发失效。短路能量ESC可通过在短路时间内对短路电流和电压积分计算得到。因此，短路电流越大，所允许的短路时间就越短。同时集-射极电压也会影响短路能量，如果IGBT在很低的直流母线电压下运行，那么tsc也可以选取更大的值。所以，厂商给出的最大短路时间tsc只能作为一个参考值，就是说短路时间超10us了，不是一定会炸管，短路时间不到10us，也不一定就100%安全，主要看使用的工况如何。下面我们详细分析一下短路时间说不准的原因：

说不准原理一：驱动电压

        数据手册给出的短路电流或短路安全工作区SCSOA图表，通常指定驱动VGE=15V。不同VGE时的短路电流ISC如图3所示。由于IGBT存在跨导，即集电极电流强烈依赖于驱动电压，驱动电压增大或减小会影响短路电流的增大或减小。对于SC1短路，短路电流不是集电极电流IC的峰值电流，而是在驱动电压为15V时，短路电流的线性外延值。从下图可以看出，VGE只了增加了2V，短路电流就增加了1200A。

图3：不同UGE时的短路电流ISC

因此在实际应用中，要格外注意门极电压稳定性。这是因为在短路时，IGBT集电极和发射极之间出现高电压变化率dv/dt。尤其是SC2短路中，IGBT从低导通压降VCE(sat)的饱和状态迅速进入退饱和状态，从而几乎承受全部直流母线电压VDC与换流路径杂散电感所造成的过冲电压之和。这种电压突变通过米勒电容产生反馈电流IGC，可能导致IGBT栅极电容进一步充电，导致栅极电压升高甚至超过驱动电路产生的标称栅极电压，进而抬高短路电流从而降低器件最大允许的短路时间。

说不准原理二：集射极电压VCE

      数据手册中标识的短路电流ISC通常是在指定的直流母线电压VCC或者集射极电压VCE下的值。而集射极电压VCE的变化，会影响短路电流。同时，因为短路能量是电流和电压的积分，母线电压提升会增加短路能量，从而降低最大允许短路时间。如果数据手册中定义短路时间时使用的VCC电压是600V，而实际使用时的VCC电压是800V，那么实际可用短路时间要小于规格书指定值。

说不准原理三： 结温Tvj 

        在短路之前，器件结温通常低于数据手册中给出的最大结温Tvj.op。当芯片短路时，产生的热量使得芯片温度上升，当结温超过芯片的极限温度（>200℃）时，器件就可能损坏。因为沟道载流子迁移率的负温度系数，IGBT温度升高会造成短路时集电极电流下降，如图3所示。尽管较高起始结温下，短路电流略有降低，但是因为起始温度较高，短路结束时芯片的结温可能还是比较低超始结温的情况下要高，因此短路时间也许会变短，但是绝大部分厂商没有明确给出两者之间的关系。

图3：短路电流ISC和结温Tvj之间的关系

       综上所述，针对那些潜在短路风险的拓扑结构，精心挑选短路保护电路的消隐时长显得尤为关键。在纷繁复杂的实际应用场景中，门极电压的意外抬升以及母线电压超越额定规格的情形屡见不鲜。面对此类状况，为确保系统安全与稳定，我们有必要将短路保护电路所设定的消隐时间灵活调整，使之较之于规格书中所推荐的短路响应时间更为紧凑，以迅速响应并有效遏制潜在的短路威胁。