【導(dǎo)讀】我們常常被告誡：實(shí)際應(yīng)用中，IGBT集電極電壓絕對(duì)不能超過(guò)額定值，否則器件有可能被擊穿。然后有的同學(xué)并不死心：如果我只超了一點(diǎn)點(diǎn)呢，1210V就會(huì)擊穿嗎？如果只是一個(gè)非常短非常短，比如只有1us的脈沖呢？功率器件也沒(méi)那么脆弱啊對(duì)不對(duì)？
在IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中，顯眼的位置都會(huì)給出最大額定電壓的定義，例如：
FF450R12ME4中關(guān)于最大額定電壓的定義
我們常常被告誡：實(shí)際應(yīng)用中，IGBT集電極電壓絕對(duì)不能超過(guò)額定值，否則器件有可能被擊穿。
然后有的同學(xué)并不死心：如果我只超了一點(diǎn)點(diǎn)呢，1210V就會(huì)擊穿嗎？如果只是一個(gè)非常短非常短，比如只有1us的脈沖呢？功率器件也沒(méi)那么脆弱啊對(duì)不對(duì)？
要回答這個(gè)問(wèn)題，我們真的給它加上過(guò)電壓試試！
我們把1200V IGBT門極和發(fā)射極連接在一起，在集電極和發(fā)射極之間施加電壓，并且逐步增加電壓值，同時(shí)觀測(cè)漏電流。當(dāng)漏電流急劇上升時(shí)，我們稱器件發(fā)生了雪崩擊穿。
為什么會(huì)發(fā)生雪崩擊穿？
在IGBT結(jié)構(gòu)中，P阱和N襯底會(huì)形成一個(gè)PN結(jié)。集電極和發(fā)射極之間加電壓時(shí)，相當(dāng)于給PN結(jié)加了一個(gè)反向電壓，PN結(jié)兩邊形成空間電荷區(qū)。當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)隨之增強(qiáng)。這樣通過(guò)空間電荷區(qū)的電子，就會(huì)在電場(chǎng)作用下，不斷的加速。當(dāng)電場(chǎng)增加到一定臨界值，自由運(yùn)行的電子獲得的速度將足以撞擊出其它原子里的電子，產(chǎn)生自由電子和空穴。而新產(chǎn)生的自由電子又會(huì)撞擊其它原子，繼續(xù)產(chǎn)生自由電子和空穴。一撞十，十撞百，百撞千，就像滾雪球一樣，IGBT內(nèi)部載流子迅速增加，流過(guò)PN結(jié)的電流也急劇增大，這種碰撞電離導(dǎo)致?lián)舸┚头Q為雪崩擊穿。
發(fā)生雪崩擊穿后器件一定損壞嗎？
發(fā)生雪崩擊穿后器件一定損壞嗎？并不是。 功率器件都有一定的雪崩耐量。對(duì)于設(shè)計(jì)良好的IGBT來(lái)說(shuō)，如果雪崩時(shí)我們能夠把電流控制在很低的水平，即雪崩能量不超該器件的臨界能量，那么雪崩擊穿是可逆的，可以反復(fù)多次測(cè)試。而且一般功率器件實(shí)際的雪崩擊穿電壓，都會(huì)比標(biāo)稱的額定電壓留有一定裕量。
FF600R17ME4的雪崩擊穿曲線，實(shí)際擊穿電壓為2000V
好的，既然器件設(shè)計(jì)中耐壓會(huì)有一定的裕量，雪崩后器件也不一定損壞，那電壓稍微超一點(diǎn)也不用擔(dān)心了對(duì)不對(duì)！
不對(duì)！首先要明確的一點(diǎn)是，上述雪崩擊穿測(cè)試是靜態(tài)測(cè)試，即在器件未開(kāi)啟，沒(méi)有導(dǎo)通電流時(shí)進(jìn)行測(cè)試，這時(shí)器件內(nèi)部只有少量的自由電子。而實(shí)際應(yīng)用中，最常出現(xiàn)過(guò)電壓的情況，是在IGBT關(guān)斷時(shí)，快速變化的di/dt在回路雜散電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，疊加在母線電壓上，使IGBT集電極承受比較高的電壓尖峰。
在這個(gè)過(guò)程中，IGBT依然有很大的電流流過(guò)，器件內(nèi)部充盈著大量的電子和空穴。多余載流子變相降低了襯底的電阻率，使襯底的臨界電場(chǎng)遠(yuǎn)低于靜態(tài)條件下的臨界電場(chǎng)，也就是動(dòng)態(tài)下的雪崩擊穿電壓要遠(yuǎn)小于靜態(tài)下的雪崩擊穿電壓。這時(shí)如果集電極出現(xiàn)比較高的電壓就容易發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩擊穿。
好吧，那我就不開(kāi)關(guān)IGBT，總可以多加點(diǎn)電壓了吧？也不是！要知道，數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出的額定電壓，是指25℃結(jié)溫條件下，IGBT阻斷電壓不低于這個(gè)值。但I(xiàn)GBT的阻斷電壓是隨溫度的降低而降低的。25℃時(shí)額定電壓1200V的器件，在零下40℃的條件下，額定電壓可能就只有1100V了。另外海拔也是制約IGBT阻斷電壓的一個(gè)因素。海拔越高，宇宙射線引起的失效概率更高，而更高的母線電壓會(huì)加劇這種失效。所以高海拔應(yīng)用時(shí)一般要做電壓降額。
現(xiàn)在明白了吧，好好對(duì)待你的IGBT，多給它留點(diǎn)裕量。此外還要盡量降低環(huán)路雜感電感，避免產(chǎn)生過(guò)高的電壓尖峰。如果雜感很難降低，也要加點(diǎn)保護(hù)，比如有源鉗位、兩電平關(guān)斷、吸收電容。詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)后篇分解。
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