功率半导体冷知识之二：IGBT短路时的损耗

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：

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。

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。