IGBT｜基礎篇
IGBT的短路耐受時間（SCWT）
2024.04.24
重點
・短路耐受時間（SCWT：Short Circuit Withstand Time）是功率元件在短路時能夠承受短路電流而不至於損壞的時間。
・短路耐受時間是確保系統保護功能所需的時間。
・短路耐受時間越長，系統的可靠性和安全性就越高。
IGBT的短路耐受時間（SCWT）
IGBT等功率元件具有稱為“短路耐受時間（SCWT：Short Circuit Withstand Time）”的電氣特性（參數）。通常，在IGBT等功率元件處於短路狀態時，會流過大電流並在短時間內造成元件損壞，但短路耐受時間意味著在發生短路時，可以承受而不至於損壞的時間，也稱之為“允許的短路時間”。
IGBT等功率元件短路，比如IGBT（下面以IGBT為例進行解說），是指在集極和射極之間被外加了高電壓（VCC）的狀態下IGBT導通，並且在已導通的IGBT中流過很大的集極電流IC的狀態。這可能是由控制電路故障或某種誤動作引起的。
為了幫助您理解這種短路，在下面給出了測量短路耐受時間時的基本電路範例和波形。當將VCC外加在關斷狀態的IGBT上、透過閘極驅動電路使IGBT導通時，電容中積蓄的電荷會突然流入IGBT，並且經過一定時間後會導致IGBT損壞。到損壞所用的時間因VCC電壓、溫度、封裝類型等因素而異，大致為幾μs～幾十μs。在試驗中，透過控制閘極驅動電路並逐漸增加導通時間來確認元件是否損壞，並重複此操作來測量直到損壞所用的時間。或者，可以透過確認產品在規定的導通時間內沒有損壞來做出合格與否的判斷。
波形圖中的產品是ROHM的IGBT RGS系列，最短的短路耐受時間為8μs。當IGBT根據閘極訊號導通（短路）時，流過集極電流，當它在13.5μs後根據閘極訊號關斷時，集極電流被切斷，這個IGBT並沒有損壞，這證明在這個測試條件下，這款IGBT能夠承受13.5μs的短路時間。當然，8μs的保證值是有餘量的。集極電壓在短路和關斷後會在短時間內下降或上升，這取決於電容到IGBT的集極引腳之間的寄生電感的充電或放電，之後集極電壓會恢復至VCC。受發熱的影響，集極電流會隨著時間的經過而減少。
如果在短路過程中IGBT損壞，基本上初期會發生短路故障，所以電流會幾乎沒有限制地持續流過IGBT，集極電壓=VCC將下降到幾乎接地水準。當然，即使向閘極發送關斷訊號，也不會關斷IGBT並切斷集極電流。在試驗或評估過程中IGBT損壞的情況下，如果不及時切斷電流，可能會因過電流而發熱，甚至冒煙，在某些情況下還可能會起火，很危險。因此，必須採取足夠的安全對策，比如為VCC（電源）設定適當的電流限制。
短路耐受時間的重要性
短路耐受時間是保護功率元件、週邊電路和所連接元件的重要參數。使用功率元件的電路中通常都配有針對過電流等風險的保護電路。當功率元件處於短路狀態時，保護電路會檢測出這種狀態並執行保護工作，但是從檢測出來到啟動保護工作之間需要MCU系統處理等時間，如果這個時間足夠長，就可以進行切實可靠的處理。也就是說，短路耐受時間是確保系統保護功能所需的時間，該時間越長，系統處理的餘裕度就越大，從而有助提高系統的可靠性和安全性。
綜上所述，短路耐受時間是一項重要的特性，但並非所有的功率元件都提供或保證該值。根據等級和應用的不同，有些產品沒有提供，有些提供了但只是典型值（Typ.），並不是保證值，還有些則明確提供了保證值，所以在使用前需要確認技術規格書。
此外，短路耐受時間越長越有優勢，但保證值會因製造商和產品系列而異。比如前面提到的IGBT RGS系列，保證值為8μs（最小值），而另一個RGT系列的保證值則為5μs（最小值）。另外，由於VCC和溫度條件各不相同，因此不僅要確認值，還要確認條件，這點也很重要。作為實例，請確認一下這些IGBT的技術規格書。參數名稱：短路耐受時間（Short Circuit Withstand Time），符號：用tSC表示條件和保證值。
IGBT RGS系列：https://www.rohm.com.tw/products/igbt/field-stop-trench-igbt?page=1&SearchWord=rgs
IGBT RGT系列：https://www.rohm.com.tw/products/igbt/field-stop-trench-igbt?page=1&SearchWord=rgt
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