【導讀】IGBT主要用于電機驅動(dòng)和各類(lèi)變流器，IGBT的抗短路能力是系統可靠運行和安全的保障之一，短路保護可以通過(guò)串在回路中的分流電阻或退飽和檢測等多種方式實(shí)現。
IGBT是允許短路的，完全有這樣的底氣，EconoDUAL?3 FF600R12ME4 600A 1200V IGBT4的數據手冊是這樣描述短路能力的，在驅動(dòng)電壓不超過(guò)15V時(shí)，短路電流典型值是2400A，只要在10us內成功關(guān)斷短路電流，器件不會(huì )損壞。
IGBT的短路承受能力為短路保護贏(yíng)得時(shí)間，驅動(dòng)保護電路可以從容安全地關(guān)斷短路電流。
短路能力不是免費的
器件的短路能力不是免費的，代價(jià)是器件損耗。短路能力可以用短路承受時(shí)間來(lái)描述，提高短路承受時(shí)間可能需要犧牲飽和壓降，進(jìn)而關(guān)聯(lián)到關(guān)斷損耗，因為飽和壓降高了，有時(shí)需要犧牲關(guān)斷損耗來(lái)降低。
一種方法是——把IGBT中的MOS溝道做寬，提高M(jìn)OS溝道的寬長(cháng)比W/L，可以降低導通時(shí)的飽和壓降，但這樣短路電流會(huì )增加，短路可承受時(shí)間縮短。
基于這機理，IGBT的技術(shù)在發(fā)展：
有些應用并不會(huì )發(fā)生器件短路，譬如Boost電路等，這時(shí)可以使用不保證短路承受時(shí)間的器件，如英飛凌TRENCHSTOP?5系列，不支持短路工況，但可以支持極低的導通損耗或者極高的開(kāi)關(guān)頻率。
得益于應用技術(shù)的進(jìn)步，驅動(dòng)保護電路的完善，系統能夠識別出短路并且關(guān)斷IGBT所需要的時(shí)間越來(lái)越短，因此允許我們設計出短路時(shí)間更短的IGBT。例如，英飛凌的IGBT7短路時(shí)間是6us @ 175oC，EDT2芯片是3us@175oC，以短路承受時(shí)間換芯片低損耗性能。
大電流不一定是短路
上面討論有些應用并不會(huì )發(fā)生器件短路，而不是系統輸出不會(huì )短路，系統輸出短路會(huì )在器件上產(chǎn)生大電流，設計中必須要考慮合適的過(guò)載保護，把器件的關(guān)斷電流控制在反向安全工作區內，對于IGBT模塊一般是兩倍的標稱(chēng)電流。
大電流不一定是短路，為了講清這個(gè)問(wèn)題，我們需要分析IGBT的輸出特性Ic=f(Vce)，圖中是FF900R12ME7_B11,900A 1200V IGBT7的輸出特性，它給出了在2倍的標稱(chēng)電流以?xún)?，在不同柵極電壓驅動(dòng)時(shí)的集電極和發(fā)射極之間電壓。圖表中的最大電流是1800A，這是900A IGBT模塊能保證的關(guān)斷電流值。
為了討論問(wèn)題我把輸出特性Ic=f(Vce)展開(kāi)一下，展開(kāi)到9倍的標稱(chēng)電流，7-8倍的飽和壓降，這樣各種要解釋IGBT大電流工況都在圖上了。
1.正常工況---反向工作安全區RBSOA：
圖中綠色的部分是反向工作安全區RBSOA的一小部分，在這區域內只要不超過(guò)最高工作結溫，每個(gè)周期能可靠關(guān)斷的電流，條件是在飽和狀態(tài)下關(guān)斷，在關(guān)斷過(guò)程中，Vce電壓上升，但不能超過(guò)器件耐壓值。
2.短路區域
綠框框起來(lái)的是在柵極電壓13-15V的短路區域，可以在圖中讀出在Vge=15V，短路電流被器件自動(dòng)限制在5倍的標稱(chēng)電流，這時(shí)器件退出飽和，Vce電壓快速上升，驅動(dòng)電路檢測Vce上升到幾倍的飽和壓降，就可以執行短路保護了，器件是安全的。
3.降額短路區域
短路時(shí)由于集電極的dv/dt，通過(guò)CGC在柵極會(huì )感應出一個(gè)小電壓，把Vge電壓抬高，這時(shí)IGBT進(jìn)入了降額短路區域，短路電流增大，短路承受時(shí)間縮短。
4.禁止開(kāi)關(guān)區域
器件電流超過(guò)了2倍的標稱(chēng)電流，但是器件沒(méi)有退出飽和，這時(shí)器件上的電壓比短路時(shí)低，貌似器件還比短路時(shí)舒服一點(diǎn)，但不行，這時(shí)不允許關(guān)斷，一定要等到器件退出飽和才允許關(guān)斷IGBT。
大電流工作范圍是綠色區域，短路區域的例子圖中用紅綠框框起來(lái)的部分，這時(shí)電流大，并且器件退出了飽和區，反向工作安全區，電流不能超過(guò)RBSOA的規定值，關(guān)斷開(kāi)始時(shí)刻器件是飽和狀態(tài)，這是不連續的兩個(gè)區域。
原理性解釋參考：如何理解IGBT的退飽和現象以及安全工作區
大電流和短路那個(gè)更可怕？
為了說(shuō)明問(wèn)題，我們出一道計算題：
大電流
給IGBT一個(gè)電感負載，紅色的電感電流從零開(kāi)始線(xiàn)性上升，100毫秒內達到2倍的IGBT標稱(chēng)電流，藍色的是IGBT飽和電壓，Vce=V0+Ic*r，電壓是在Vo基礎上線(xiàn)性上升。
短路
把IGBT接在900V直流母線(xiàn)上，在短路前的初始狀態(tài)，電流已經(jīng)接近2倍的標稱(chēng)電流，這時(shí)發(fā)生短路，電流快速上升到6倍的標稱(chēng)電流，短路檢測電路在10us時(shí)成功關(guān)斷IGBT，關(guān)斷前的母線(xiàn)電壓是900V,在10us內，短路功率是6倍的標稱(chēng)電流乘以900V，如果以600A 1200V為例，短路瞬時(shí)功率為3.24MW!!!
冷靜下來(lái)看看積分的結果，100ms內IGBT損耗能量是0.3Ws*In/A，而10us短路的能量是0.054Ws*In/A，誰(shuí)大誰(shuí)小，大大出乎意料。在這個(gè)例子在短路時(shí)的損耗只有IGBT 100ms電感工況下的18%。但由于由于短路時(shí)瞬間電流和功率非常大，結溫會(huì )大大超過(guò)芯片允許的工作結溫，對器件的物理連接的機械應力也很大，是個(gè)嚴酷工況。參加參考文章：功率半導體冷知識：IGBT短路結溫和次數。
結 論
只要IGBT的短路保護電路和系統過(guò)載保護設計合理，短路不用手發(fā)抖。
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