Поведение IGBT и MOSFET при перегрузках и коротких замыканиях

Перегрузка:

В основном, при перегрузках параметры коммутации и в открытом состоянии не отличаются от «стандартной работы» с номинальными условиями. Для того, чтобы не превышалась максимальная температура перехода, нужно ограничивать пределы перегрузки, поскольку возросший ток нагрузки повлечет за собой возрастание рассеиваемой мощности в устройстве. Поэтому установлены предельное значение температуры перехода и число циклов температурной перегрузки, которые приводятся в справочных данных на SOA-диаграммах.

На рис.3.52 показан выбранный пример для MOSFET и IGBT.

Короткое замыкание:

В принципе MOSFET и IGBT стойки к коротким замыканиям, т.е. они могут подвергаться коротким замыканиям при определенных данных условиях, и затем выключаться без повреждения силового полупроводника.

При рассмотрении коротких замыканий (с помощью IGBT), различат два разных случая.

Рис. 3.52. SOA-диаграммы для MOSFET и IGBT
a) макс. безопасная область работы MOSFET SKM111
b) макс. безопасная область работы IGBT SKM100GB123D
c) безопасная область работы при выключении (!периодическом!) IGBT SKM100GB123D

Короткое замыкание I (SC I)

В случае SCI транзистор включается на имеющееся короткое замыкание нагрузки, т.е. все напряжение питания приложено к транзистору до короткого замыкания. di/dt короткого замыкания определено параметрами драйвера (напряжение драйвера, резистор затвора). Этот возросший ток транзистора вызовет падение напряжения на паразитной индуктивности короткого замыкания, которое показано как рост характеристики напряжения коллектор-эмиттер (рис.3.53).

Стационарные токи короткого замыкания подстраиваются под значение, которое определено выходной характеристикой транзистора. Типичные значения для IGBT составляют 8-10 номинальных токов (см.рис.3.56b).

Короткое замыкание II (SC II)

Рис. 3.53. SC I характеристики IGBT (SKM100GB123D)

Рис. 3.54. Эквивалентная схема и характеристики SC II [194]

В этом случае транзистор уже включен до того, как произошло короткое замыкание. По сравнению с SC I, в этом случае транзистор подвергается большим перегрузкам. На рис.3.54 показана эквивалентная схема и характеристики для пояснения SC II. Как только происходит короткое замыкание, очень резко начнет увеличиваться ток коллектора. Di/dt определяется напряжением питания V_DC и индуктивностью петли короткого замыкания.

В течение интервала времени 1 IGBT обедняется. В результате высокое dv/dt напряжения коллектор-эмиттер вызовет ток смещения через емкость затвор-коллектор, из-за чего возрастет напряжения затвор-эмиттер. Это в свою очередь создаст динамический выброс тока короткого замыкания I_C/SCM.

После прохождения фазы обеднения, ток короткого замыкания упадет до своего постоянного значения I_C/SC (интервал 2). В течение этого процесса напряжение будет индуцироваться на паразитной индуктивности, что вызовет перенапряжение на IGBT.

За стационарной фазой короткого замыкания (интервал 3) следует прекращение протекания тока короткого замыкания по направлению к коммутационной индуктивности цепи LK, что опять будет причиной перенапряжения на IGBT (интервал 4).

Перенапряжения в транзисторе при коротком замыкании могут превысить рабочие значения в несколько раз.

Рис. 3.55. SC II характеристики IGBT (SKM100GB123D с ограничением уровня затвора)

SOA диаграмма при коротком замыкании из справочных данных на IGBT показывает пределы безопасного управления при этом (рис.3.56а).

Для гарантии безопасной работы должны удовлетворяться следующие важные граничные условия:

• короткое замыкание должно быть обнаружено и устранено в течение времени до 10 мкс,
• время между двумя короткими замыканиями должно быть не более 1 с,
• IGBT не должен подвергаться более чем 1000 коротких замыканий за весь его срок
• службы.

Рис.3.56 SOA при коротком замыкании NPT-IGBT (SC SOA)
a) зависимость нормализованного тока короткого замыкания от напряжения коллектор-эмиттер (SKM100GB123D)
b) зависимость нормализованного тока короткого замыкания от напряжения затвор-эмиттер (основная)

На рис.3.56 показано влияние напряжения затвор-эмиттер и температуры перехода на стационарный ток короткого замыкания. Замыкания I и II будут причиной высокой рассеиваемой мощности в транзисторе, из-за чего вырастет температура перехода. Здесь положительный температурный коэффициент напряжения коллектор-эмиттер имеет благоприятное воздействие (это также относиться к напряжению сток-исток), поскольку уменьшит ток коллектора при стационарном коротком замыкании (см. ри.3.56b). Возможности надежного определения предельных токов и ограничения при перенапряжениях изложены в п. 3.6.3.