【導(dǎo)讀】IGBT主要用于電機(jī)驅(qū)動和各類變流器,IGBT的抗短路能力是系統(tǒng)可靠運(yùn)行和安全的保障之一,短路保護(hù)可以通過串在回路中的分流電阻或退飽和檢測等多種方式實(shí)現(xiàn)。
IGBT是允許短路的,完全有這樣的底氣,EconoDUAL?3 FF600R12ME4 600A 1200V IGBT4的數(shù)據(jù)手冊是這樣描述短路能力的,在驅(qū)動電壓不超過15V時(shí),短路電流典型值是2400A,只要在10us內(nèi)成功關(guān)斷短路電流,器件不會損壞。
IGBT的短路承受能力為短路保護(hù)贏得時(shí)間,驅(qū)動保護(hù)電路可以從容安全地關(guān)斷短路電流。
短路能力不是免費(fèi)的
器件的短路能力不是免費(fèi)的,代價(jià)是器件損耗。短路能力可以用短路承受時(shí)間來描述,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?yàn)轱柡蛪航蹈吡?,有時(shí)需要犧牲關(guān)斷損耗來降低。
一種方法是——把IGBT中的MOS溝道做寬,提高M(jìn)OS溝道的寬長比W/L,可以降低導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降,但這樣短路電流會增加,短路可承受時(shí)間縮短。
基于這機(jī)理,IGBT的技術(shù)在發(fā)展:
有些應(yīng)用并不會發(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(dǎo)通損耗或者極高的開關(guān)頻率。
得益于應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步,驅(qū)動保護(hù)電路的完善,系統(tǒng)能夠識別出短路并且關(guān)斷IGBT所需要的時(shí)間越來越短,因此允許我們設(shè)計(jì)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(yīng)用并不會發(fā)生器件短路,而不是系統(tǒng)輸出不會短路,系統(tǒng)輸出短路會在器件上產(chǎn)生大電流,設(shè)計(jì)中必須要考慮合適的過載保護(hù),把器件的關(guān)斷電流控制在反向安全工作區(qū)內(nèi),對于IGBT模塊一般是兩倍的標(biāo)稱電流。
大電流不一定是短路,為了講清這個(gè)問題,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(biāo)稱電流以內(nèi),在不同柵極電壓驅(qū)動時(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。
為了討論問題我把輸出特性Ic=f(Vce)展開一下,展開到9倍的標(biāo)稱電流,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(qū)RBSOA:
圖中綠色的部分是反向工作安全區(qū)RBSOA的一小部分,在這區(qū)域內(nèi)只要不超過最高工作結(jié)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)斷過程中,Vce電壓上升,但不能超過器件耐壓值。
2.短路區(qū)域
綠框框起來的是在柵極電壓13-15V的短路區(qū)域,可以在圖中讀出在Vge=15V,短路電流被器件自動限制在5倍的標(biāo)稱電流,這時(shí)器件退出飽和,Vce電壓快速上升,驅(qū)動電路檢測Vce上升到幾倍的飽和壓降,就可以執(zhí)行短路保護(hù)了,器件是安全的。
3.降額短路區(qū)域
短路時(shí)由于集電極的dv/dt,通過CGC在柵極會感應(yīng)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(qū)域,短路電流增大,短路承受時(shí)間縮短。
4.禁止開關(guān)區(qū)域
器件電流超過了2倍的標(biāo)稱電流,但是器件沒有退出飽和,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(qū)域,短路區(qū)域的例子圖中用紅綠框框起來的部分,這時(shí)電流大,并且器件退出了飽和區(qū),反向工作安全區(qū),電流不能超過RBSOA的規(guī)定值,關(guān)斷開始時(shí)刻器件是飽和狀態(tài),這是不連續(xù)的兩個(gè)區(qū)域。
原理性解釋參考:如何理解IGBT的退飽和現(xiàn)象以及安全工作區(qū)
大電流和短路那個(gè)更可怕?
為了說明問題,我們出一道計(jì)算題:
大電流
給IGBT一個(gè)電感負(fù)載,紅色的電感電流從零開始線性上升,100毫秒內(nèi)達(dá)到2倍的IGBT標(biāo)稱電流,藍(lán)色的是IGBT飽和電壓,Vce=V0+Ic*r,電壓是在Vo基礎(chǔ)上線性上升。
短路
把IGBT接在900V直流母線上,在短路前的初始狀態(tài),電流已經(jīng)接近2倍的標(biāo)稱電流,這時(shí)發(fā)生短路,電流快速上升到6倍的標(biāo)稱電流,短路檢測電路在10us時(shí)成功關(guān)斷IGBT,關(guān)斷前的母線電壓是900V,在10us內(nèi),短路功率是6倍的標(biāo)稱電流乘以900V,如果以600A 1200V為例,短路瞬時(shí)功率為3.24MW!!!
冷靜下來看看積分的結(jié)果,100ms內(nèi)IGBT損耗能量是0.3Ws*In/A,而10us短路的能量是0.054Ws*In/A,誰大誰小,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(jié)溫會大大超過芯片允許的工作結(jié)溫,對器件的物理連接的機(jī)械應(yīng)力也很大,是個(gè)嚴(yán)酷工況。參加參考文章:功率半導(dǎo)體冷知識:IGBT短路結(jié)溫和次數(shù)。
結(jié) 論
只要IGBT的短路保護(hù)電路和系統(tǒng)過載保護(hù)設(shè)計(jì)合理,短路不用手發(fā)抖。
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