IGBT的短路耐受时间(SCWT)

本文的关键要点

・短路耐受时间(SCWT:Short Circuit Withstand Time)是功率元器件在短路时能够承受短路电流而不至于损坏的时间。

・短路耐受时间是确保系统保护功能所需的时间。

・短路耐受时间越长,系统的可靠性和安全性就越高。

IGBT等功率器件具有称为“短路耐受时间(SCWT:Short Circuit Withstand Time)”的电气特性(参数)。通常,在IGBT等功率元器件处于短路状态时,会流过大电流并在短时间内造成元器件损坏,但短路耐受时间意味着在发生短路时,可以承受而不至于损坏的时间,也称之为“允许的短路时间”。

IGBT等功率元器件短路,比如IGBT(下面以IGBT为例进行解说),是指在集电极和发射极之间被施加了高电压(VCC)的状态下IGBT导通,并且在已导通的IGBT中流过很大的集电极电流IC的状态。这可能是由控制电路故障或某种误动作引起的。

为了帮助您理解这种短路,在下面给出了测量短路耐受时间时的基本电路示例和波形。当将VCC施加在关断状态的IGBT上、通过栅极驱动电路使IGBT导通时,电容器中积蓄的电荷会突然流入IGBT,并且经过一定时间后会导致IGBT损坏。到损坏所用的时间因VCC电压、温度、封装类型等因素而异,大致为几μs~几十μs。在试验中,通过控制栅极驱动电路并逐渐增加导通时间来确认器件是否损坏,并重复此操作来测量直到损坏所用的时间。或者,可以通过确认产品在规定的导通时间内没有损坏来做出合格与否的判断。

IGBT1-4_f3

波形图中的产品是ROHM的IGBT RGS系列,最短的短路耐受时间为8μs。当IGBT根据栅极信号导通(短路)时,流过集电极电流,当它在13.5μs后根据栅极信号关断时,集电极电流被切断,这个IGBT并没有损坏,这证明在这个测试条件下,这款IGBT能够承受13.5μs的短路时间。当然,8μs的保证值是有余量的。集电极电压在短路和关断后会在短时间内下降或上升,这取决于电容器到IGBT的集电极引脚之间的寄生电感的充电或放电,之后集电极电压会恢复至VCC。受发热的影响,集电极电流会随着时间的经过而减少。

如果在短路过程中IGBT损坏,基本上初期会发生短路故障,所以电流会几乎没有限制地持续流过IGBT,集电极电压=VCC将下降到几乎接地水平。当然,即使向栅极发送关断信号,也不会关断IGBT并切断集电极电流。在试验或评估过程中IGBT损坏的情况下,如果不及时切断电流,可能会因过电流而发热,甚至冒烟,在某些情况下还可能会起火,很危险。因此,必须采取足够的安全对策,比如为VCC(电源)设置适当的电流限制。

短路耐受时间的重要性

短路耐受时间是保护功率元器件、外围电路和所连接元器件的重要参数。使用功率元器件的电路中通常都配有针对过电流等风险的保护电路。当功率元器件处于短路状态时,保护电路会检测出这种状态并执行保护工作,但是从检测出来到启动保护工作之间需要MCU系统处理等时间,如果这个时间足够长,就可以进行切实可靠的处理。也就是说,短路耐受时间是确保系统保护功能所需的时间,该时间越长,系统处理的余量就越大,从而有助于提高系统的可靠性和安全性。

综上所述,短路耐受时间是一项重要的特性,但并非所有的功率元器件都提供或保证该值。根据等级和应用的不同,有些产品没有提供,有些提供了但只是典型值(Typ.),并不是保证值,还有些则明确提供了保证值,所以在使用前需要确认技术规格书。

此外,短路耐受时间越长越有优势,但保证值会因制造商和产品系列而异。比如前面提到的IGBT RGS系列,保证值为8μs(最小值),而另一个RGT系列的保证值则为5μs(最小值)。另外,由于VCC和温度条件各不相同,因此不仅要确认值,还要确认条件,这点也很重要。作为实例,请来确认一下这些IGBT的技术规格书。参数名称:短路耐受时间(Short Circuit Withstand Time),符号:用tSC表示条件和保证值。

IGBT RGS系列:

https://www.rohm.com.cn/products/igbt/field-stop-trench-igbt?page=1&SearchWord=rgs

IGBT RGT系列:

https://www.rohm.com.cn/products/igbt/field-stop-trench-igbt?page=1&SearchWord=rgt

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