厂商数据手册给出的短路时间竟然说不准？真相是…
2019-09-20
我们都知道，IGBT拥有一定的短路能力，即可以经受一定时间的短路而不损坏。通常厂商的数据手册会给出最大允许的短路时间。但是，对于标称tsc=10us的器件，是否短路超过10us一定会炸管？10us之内一定安全？答案是……说不准。
说不准的原因有很多，我们先来看一下短路时间的定义。我们可以在半桥电路中测试IGBT的短路特性SC1和SC2，如图1所示。
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。
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/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。
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。
综上，对于可能发生短路的拓扑结构，要仔细选择短路保护电路的消隐时间。在实际应用中，门极电压抬升以及母线电压高于规格书都是经常发生的情况。在这种情况下，短路保护电路所设置的消隐时间就要比规格书给出的短路时间相应地缩短。
