短路不可怕

 

IGBT主要用于电机驱动和各类变流器,IGBT的抗短路能力是系统可靠运行和安全的保障之一,短路保护可以通过串在回路中的分流电阻或退饱和检测等多种方式实现。

 

IGBT是允许短路的,完全有这样的底气,EconoDUAL™3 FF600R12ME4 600A 1200V IGBT4的数据手册是这样描述短路能力的,在驱动电压不超过15V时,短路电流典型值是2400A,只要在10us内成功关断短路电流,器件不会损坏。

 

 

IGBT的短路承受能力为短路保护赢得时间,驱动保护电路可以从容安全地关断短路电流。

 

短路能力不是免费的

 

器件的短路能力不是免费的,代价是器件损耗。短路能力可以用短路承受时间来描述,提高短路承受时间可能需要牺牲饱和压降,进而关联到关断损耗,因为饱和压降高了,有时需要牺牲关断损耗来降低。

 

一种方法是——把IGBT中的MOS沟道做宽,提高MOS沟道的宽长比W/L,可以降低导通时的饱和压降,但这样短路电流会增加,短路可承受时间缩短。

 

 

基于这机理,IGBT的技术在发展:

 

#1

有些应用并不会发生器件短路,譬如Boost电路等,这时可以使用不保证短路承受时间的器件,如英飞凌TRENCHSTOP™5系列,不支持短路工况,但可以支持极低的导通损耗或者极高的开关频率。

得益于应用技术的进步,驱动保护电路的完善,系统能够识别出短路并且关断IGBT所需要的时间越来越短,因此允许我们设计出短路时间更短的IGBT。例如,英飞凌的IGBT7短路时间是6us @ 175oC,EDT2芯片是3us@175oC,以短路承受时间换芯片低损耗性能。

 

#2、大电流不一定是短路

 

上面讨论有些应用并不会发生器件短路,而不是系统输出不会短路,系统输出短路会在器件上产生大电流,设计中必须要考虑合适的过载保护,把器件的关断电流控制在反向安全工作区内,对于IGBT模块一般是两倍的标称电流。

 

大电流不一定是短路,为了讲清这个问题,我们需要分析IGBT的输出特性Ic=f(Vce),图中是FF900R12ME7_B11,900A 1200V IGBT7的输出特性,它给出了在2倍的标称电流以内,在不同栅极电压驱动时的集电极和发射极之间电压。图表中的最大电流是1800A,这是900A IGBT模块能保证的关断电流值。

 

 

为了讨论问题我把输出特性Ic=f(Vce)展开一下,展开到9倍的标称电流,7-8倍的饱和压降,这样各种要解释IGBT大电流工况都在图上了。

 

1.正常工况---反向工作安全区RBSOA

图中绿色的部分是反向工作安全区RBSOA的一小部分,在这区域内只要不超过最高工作结温,每个周期能可靠关断的电流,条件是在饱和状态下关断,在关断过程中,Vce电压上升,但不能超过器件耐压值。

 

2.短路区域

绿框框起来的是在栅极电压13-15V的短路区域,可以在图中读出在Vge=15V,短路电流被器件自动限制在5倍的标称电流,这时器件退出饱和,Vce电压快速上升,驱动电路检测Vce上升到几倍的饱和压降,就可以执行短路保护了,器件是安全的。

 

3.降额短路区域

短路时由于集电极的dv/dt,通过CGC在栅极会感应出一个小电压,把Vge电压抬高,这时IGBT进入了降额短路区域,短路电流增大,短路承受时间缩短。

 

4.禁止开关区域

器件电流超过了2倍的标称电流,但是器件没有退出饱和,这时器件上的电压比短路时低,貌似器件还比短路时舒服一点,但不行,这时不允许关断,一定要等到器件退出饱和才允许关断IGBT。

 

大电流工作范围是绿色区域,短路区域的例子图中用红绿框框起来的部分,这时电流大,并且器件退出了饱和区,反向工作安全区,电流不能超过RBSOA的规定值,关断开始时刻器件是饱和状态,这是不连续的两个区域。

 

原理性解释参考:如何理解IGBT的退饱和现象以及安全工作区

 

大电流和短路那个更可怕?

 

为了说明问题,我们出一道计算题:

 

大电流

给IGBT一个电感负载,红色的电感电流从零开始线性上升,100毫秒内达到2倍的IGBT标称电流,蓝色的是IGBT饱和电压,Vce=V0+Ic*r,电压是在Vo基础上线性上升。

 

 

短路

 

把IGBT接在900V直流母线上,在短路前的初始状态,电流已经接近2倍的标称电流,这时发生短路,电流快速上升到6倍的标称电流,短路检测电路在10us时成功关断IGBT,关断前的母线电压是900V,在10us内,短路功率是6倍的标称电流乘以900V,如果以600A 1200V为例,短路瞬时功率为3.24MW!!!

 

 

冷静下来看看积分的结果,100ms内IGBT损耗能量是0.3Ws*In/A,而10us短路的能量是0.054Ws*In/A,谁大谁小,大大出乎意料。在这个例子在短路时的损耗只有IGBT 100ms电感工况下的18%。但由于由于短路时瞬间电流和功率非常大,结温会大大超过芯片允许的工作结温,对器件的物理连接的机械应力也很大,是个严酷工况。参加参考文章:功率半导体冷知识:IGBT短路结温和次数。

 

结 论

 

只要IGBT的短路保护电路和系统过载保护设计合理,短路不用手发抖。