IGBT器件短路分类、过程及设计

时间： 2024-09-13 来源：阿基米德半导体公众号

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1、引言

目前，IGBT作为电力电子领域普遍应用的功率半导体器件，短路能力是其重要的技术指标之一，SCSOA 指的是短路安全工作区，用来描述器件的短路鲁棒性。对于功率器件来说，该参数至关重要。在实际应用中，负载短路的情况下，器件在短时间会同时承受大电流、大电压。通常应用电路有短路保护电路，但该电路反应需要时间，通常至少为 10μs，这段时间需要器件能够承受这段非正常工作时间内的压力。本篇暂时只叙述短路能力的设计，短路震荡的问题将在下一篇中详解。

2、短路分类

短路工况分为三类：

（1）一类为直接短路负载情况下，导通IGBT，此时短路负载电感很小，IGBT从关断状态进入短路状态，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。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)。

（2）第二类为从导通状态下进入短路状态。

（3）第三类为从关断状态进入导通状态在进入短路状态。由于一类短路是IGBT器件经常遇到的工况，且其工况更为严苛，此片只描述一类短路。

图1 IGBT器件短路测试电路

图2 IGBT器件一类短路测试波形

整个短路过程为：

1）器件导通之前，因为负载已经短路，此时集射极电压Vce等于母线电压Vdc，集电极电流Ice为零；

2）测试电路外加脉冲抬高栅极电压Vge，随着栅极电压Vge的增大，器件逐渐开启，集电极电流Ice迅速升高。

3）电感上某时刻的电压与通过它的电流的变化率di/dt以及电感值L0成正比。所以IGBT导通时迅速增加的集电极电流Ice在负载电感L0上产生感应电压，母线电压Vdc被电感分担一部分，导致集射极与发射极间电压Vce下降。

4）IGBT集射极电压Vce的变化，会通过米勒电容Cgc反馈给栅极。Vce减小使 Vge增大，根据IGBT输出特性，Ice随Vge同步增大，所以在Vge达到峰值处，Ice也达到短路峰值电流Isc,peak。

5）在集电极电流Ice的上升速率开始减小时，电感电压V0减小，Vce开始从最低值增大，Vce增大又导致Vge减小，进而导致Ice减小；因为Vge增大在密勒电容上感应出电流，该反向电流流过回路负载电感L0，感应出反向电压，导致Vce大于Vdc。

6）当Vce稳定后，不再产生感应电压，即Vce重新等于Vdc，此阶段为短路稳态，Vce几乎不变。由于短路稳态阶段高电压和大电流同时施加在器件上，导致器件结温不断上升，而载流子迁移率随结温升高而减小，所以曲线上能看到短路电流随 Tmax升高有下降的趋势。

7）在短路稳态后的关断过程，Ice跟随栅极电压Vge的下降而逐渐减小，因为集电极的电流下降率很大，所以在电感上感生出很大的反向电压，导致Vce产生正向的电压尖峰。

3、IGBT器件短路设计

由于在短路工作期间没有负载阻抗，在IGBT结构中其饱和电流变成了短路工况下流过电流的唯一限制。如下公式表示在短路期间IGBT结构单位面积的功耗：

式中，Vdc是母线电压，Isat是由栅极电压所决定的饱和电流密度。假设功率加在整个芯片上，且暂时不考虑瞬时散热，根据热平衡方程：

得出温升公式：

式中，C是比热容，S是芯片有源区面积，S是芯片有源区面积，ρ是材料密度，W是芯片厚度，t是短路时间。

内建电势决定着零偏置耗尽层宽度，某一温度下内建电势变为0后，PN结失控，对于硅器件，这个温度大约为700K。所以可以通过上式计算出芯片需求的短路时间。

4、参考文献

[1]王禹,陈子墨,花清源,等.1700V Primepack IGBT短路栅极振荡试验与分析[J].集成电路应用,2022,39(06):24-27.DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2022.06.010.

[2]王万.基于1200V沟槽栅FS IGBT的短路鲁棒性研究及工艺优化[D].电子科技大学,2022.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2022.004263.

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中电国基南方（CETC）SiC电力电子器件选型指南

描述- 中电国基南方是国内最早从事SiC电力电子器件研发和生产的企业。在SiC为代表的第三代功率半导体领域承担了国家科技重大专项、“863”、“973”、国家重点研发计划等超过80项国家级课题；申请发明专利超过200多项，其中PCT10项，已授权67项。产品系列电压覆盖650V-6500V，电流覆盖2A-150A，产品性能和可靠性满足多种应用需求，已广泛应用于新能源汽车及充电设备、轨道交通、新能源发电、电网传输、家用电子设备等领域。

型号- WS4A020120A,WS4A050065D,WMH075M120A1A,WS4A050065B,WS4A020120B-V,WS4A020120B,WS4A020120D,WS4A040120K,WMIT075M120B1A,WS4A040120D,WM2HA020065Y,WS4A040120B,WMT075M120B1A,WMH020M065A1A,WS4A030065D,WS4A020120J,WS4A040120B-V,WS4A020120K,WS4A030065J,WS4A025170B,WS4A025170D,WS4A030065B,WM2A030065L,WM2A030065K,WS4A030065K,WS4A050170B-V,WMD075M120B1A,WM2HV020170L,WS4A006065F,WM2HV020170K,WS4A006065E,WS4A004065A0,WS4A006065B,WS4A006065A,WS4A010065E,WS4A015065J,WS4A010065F,WS4A010065A,WS4A015065F,WS4A010065B,WM2A080170N,WM2A080170L,WM2A080170K,WM2HV140120N,WM2HV140120L,WM2HV040065L,WM2HV040065K,WM2HA040120N,WM2HA040120L,WM2HA040120K,WM2A060065N,WM2A060065K,WM2HV040065N,WM2A060065L,WS4A050170B,WM2A060065Y,WM2HA030120N,WM2HA030120K,WS4A050170D,WM2HA030120L,WM2HA020120K,WM2HV140120K,WS4A005120E,WM2HA020120L,WM2A040120L,WM2HV020120N,WM2HA020120N,WM2HV020120K,WM2HV020120L,WM2A040120K,WS4A010065J,WS4A015120J,WS4A015120D,WM2V080170K,WS4A050065B-V,WS4A005120A,WS4A005120B,WMH016M120A1A,WM2V080170L,WM2HA040065N,WM2V080170N,WM2HA040065L,WM2HA040065K,WS4A020065A,WS4A020065D,WS4A020065B,WM2HV030120K,WS4A020065B-V,WM2HA040065Y,WS4A020065F,WS4A015120A,WM2V040120L,WM2V040120K,WS4A015120B,WMH060M120A1A,WM2HA011075K,WM2HA011075L,WM2HA04006Y,WM2HV030120N,WS4A060120D,WS4A020065K,WM2HV030120L,WS4A020065J,WM2HA024200LP,WS4A060120K,WM2V040170L,WM2V040170N,WS4A025170B-V,WM2V040170K,WMH080M170A1A,WS4A030120K,WS4A030120B-V,WM2HV060120L,WM2HV060120K,WM2HV060120N,WMIT040M120B1A,WM2HV011075L,WM2HV011075K,WS4A200120T,WMT040M120B1A,WM2HA240120N,WS4A010120E,WS4A004065F0,WS4A010120D,WS4A010120B,WS4A010120A,WM2A050330L,WM2HA240120E,WS4A008065B,WM2HV040120L,WS4A060065K,WS4A008065A,WMD040M120B1A,WS4A008065F,WS4A008065E,WM2HA140120L,WSXAXXXXXX0,WM2HA140120K,WM2HA140120N,WS4A050120D,WS4A050120B,WMH040M120A1A,WM2HV016120L,WM2HV016120K,WM2HA020170L,WS4A010120J,WM2HA020170K,WS4A040065K,WS4A050120B-V,WMH060M075A1A,WS4A015065A,WS4A015065B,WM1A650170N,WM1A650170K,WM2A075120K,WM2A075120L,WM2A075120N,WM2V020065N,WM2V020065K,WM2V020065L,WS4A004065B0,WS4A004065E0,WMXAXXXXXX0,WM2V075120N,WM2HA060120K,WM2V075120K,WM2HA060120L,WM2V075120L,WM1A080120K1,WM2HA060120N,WM2HV075120L,WM2HA020065K,WS4A030065B-V,WM2HA020065L,WM2A040170K,WM2A040170L,WM2A040170N,WM2HA016120L,WM2HA016120K,WM2HA020065N,WM2HA016120T,WM2A060090N,WMH020M120A1A,WM2A060090K,WM1A080120L1,WM2A060090L,WM2A100200LP,WM1A01K170K,WS4A030120D,WM2A050200LP,WM2A020065L,WM2A020065K,WM2A020065N,WM1A01K170N,WS4A030120B

2024/7/30 - 中电国基南方 - 选型指南代理服务技术支持现货查询批量订货

ADG100N65LT5 650V/100A TRENCHSTOP IGBT

型号- ADG100N65LT5

Oct, 2024 - 阿基米德半导体 - 数据手册 - Rev. A7 代理服务技术支持现货查询批量订货

Shindengen（新电元工业株式会社），1949年在日本成立，主要从事功率半导体和开关电源、电装制品的制造和销售，并以电力电子技术为主要领域。旗下的电源用肖特基二极管、桥堆等分立器件产品的市场占有率稳居世界前列，在日本国内占95%的市场份额。其整流桥在全世界占有接近40%的市场份额，素有“桥王”之称。

通用整流二极管桥式二极管肖特基势垒二极管快速恢复二极管晶闸管双向晶闸管硅双向触发开关浪涌吸收器瞬态浪涌抑制器功率MOSFET 电源模块电源芯片

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【选型】扬杰科技（YANGJIE）MOSFET（中低压/高压）选型指南

目录- 产品特点与应用中低压MOSFET 高压MOSFET 封装尺寸图与焊接尺寸图包装形态与可靠性测试项目

型号- YJB70N10A,YJD80G06A,YJ4N70Z,2N7002A,YJ12N65Z,YJQ2012A,YJC2007A,YJD25N15B,YJD90N02A,YJS2301A,YJS4435A,YJ8N60Z,YJQ55P02A,YJS4407B,2N7002KW,YJQ3400A,YJQ40P03A,YJS4407A,YJ2N65Z,YJL02N10A,YJD20N06A,YJS12N03A,2N7002K,YJP70N10A,YJL2303A,YJS10N02A,BSS123W,YJS8205B,YJSD12N03A,YJS05N06A,YJG30N06A,YJL3404A,YJL3416A,YJG80G06A,YJQC602B,YJS03N10A,YJL2304A,2N7002,YJQ1216A,YJS18N03A,YJ4N80Z,YJP25N15B,YJQ30N03A,YJQ53G06A,YJL3415A,YJQ10N02A,YJS15G10B,YJL2301G,VJG50N03A,BSS84,YJL2301F,YJL2301C,YJL2301D,YJL3407AL,YJD40G10A,YJ4N65Z,YJ7N60Z,YJP150N06AC,YJQ4666B,YJ10N65Z,2N7002W,YJQD30P02A,YJS4606A,YJL2302B,YJL05N04A,YJL2302A,YJS12N10A,YJQ03P02A,BSS123,YJL3401A,YJS05N15B,YJS2305A,YJD60N04A,YJQ20N04A,YJL03N06B,YJ12N60Z,YJL03N06A,YJD15N10A,YJQ35N04A,YJB150N06C,BSS138,YJ2N60Z,YJ7N70Z,YJL3400A,YJQ3622A,YJS7328A,YJS2022A,YJS9435A,YJD40N04A,YJD45P03A,YJS4438A,YJ10N70Z,YJD30N02A,YJL2312A,YJG105N03A,YJ8N65Z,YJS3404A,YJD100G10A,YJ4N60Z,YJD60N02A,YJQ3415A,YJ7N80,YJ7N65Z,YJQ35G10A,YJS12G06A,2N7002KDW,YJG53G06A,YJG20N06A,YJS10N04A,YJ12N70Z,YJL3401AL,YJL2305A,YJL2305B,YJG15N15B,YJG18N10A,YJL03G10A,YJG130G04A,YJG85G06A,YJL07P03AL,VJL2300A,YJL3407A,YJS4953A,YJ10N60Z,YJQ2301A,YJD80N03A,YJD50N03A,YJD80N03B,YJQ50N03B

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