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IGBT的3种短路特性

作者:Aliququ.com    来源:未知    发布时间:2020-12-15 09:33    浏览量:
   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,

 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。



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