IGBT集电极电压超过额定电压会发生什么？

作者：赵佳，来源：英飞凌工业半导体

在IGBT数据手册中，显眼的位置都会给出最大额定电压的定义，例如：

FF450R12ME4中关于最大额定电压的定义

我们常常被告诫：实际应用中，IGBT集电极电压绝对不能超过额定值，否则器件有可能被击穿。

然后有的同学并不死心：如果我只超了一点点呢，1210V就会击穿吗？如果只是一个非常短非常短，比如只有1us的脉冲呢？功率器件也没那么脆弱啊对不对？

要回答这个问题，我们真的给它加上过电压试试！

我们把1200V IGBT门极和发射极连接在一起，在集电极和发射极之间施加电压，并且逐步增加电压值，同时观测漏电流。当漏电流急剧上升时，我们称器件发生了雪崩击穿。

为什么会发生雪崩击穿？

在IGBT结构中，P阱和N衬底会形成一个PN结。集电极和发射极之间加电压时，相当于给PN结加了一个反向电压，PN结两边形成空间电荷区。当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随之增强。这样通过空间电荷区的电子，就会在电场作用下，不断的加速。当电场增加到一定临界值，自由运行的电子获得的速度将足以撞击出其它原子里的电子，产生自由电子和空穴。而新产生的自由电子又会撞击其它原子，继续产生自由电子和空穴。一撞十，十撞百，百撞千，就像滚雪球一样，IGBT内部载流子迅速增加，流过PN结的电流也急剧增大，这种碰撞电离导致击穿就称为雪崩击穿。

发生雪崩击穿后器件一定损坏吗？

发生雪崩击穿后器件一定损坏吗？并不是。功率器件都有一定的雪崩耐量。对于设计良好的IGBT来说，如果雪崩时我们能够把电流控制在很低的水平，即雪崩能量不超该器件的临界能量，那么雪崩击穿是可逆的，可以反复多次测试。而且一般功率器件实际的雪崩击穿电压，都会比标称的额定电压留有一定裕量。

FF600R17ME4的雪崩击穿曲线，实际击穿电压为2000V

好的，既然器件设计中耐压会有一定的裕量，雪崩后器件也不一定损坏，那电压稍微超一点也不用担心了对不对！

不对！首先要明确的一点是，上述雪崩击穿测试是静态测试，即在器件未开启，没有导通电流时进行测试，这时器件内部只有少量的自由电子。而实际应用中，最常出现过电压的情况，是在IGBT关断时，快速变化的di/dt在回路杂散电感上产生感应电压，叠加在母线电压上，使IGBT集电极承受比较高的电压尖峰。

在这个过程中，IGBT依然有很大的电流流过，器件内部充盈着大量的电子和空穴。多余载流子变相降低了衬底的电阻率，使衬底的临界电场远低于静态条件下的临界电场，也就是动态下的雪崩击穿电压要远小于静态下的雪崩击穿电压。这时如果集电极出现比较高的电压就容易发生动态雪崩击穿。

好吧，那我就不开关IGBT，总可以多加点电压了吧？也不是！要知道，数据手册上给出的额定电压，是指25℃结温条件下，IGBT阻断电压不低于这个值。但IGBT的阻断电压是随温度的降低而降低的。25℃时额定电压1200V的器件，在零下40℃的条件下，额定电压可能就只有1100V了。另外海拔也是制约IGBT阻断电压的一个因素。海拔越高，宇宙射线引起的失效概率更高，而更高的母线电压会加剧这种失效。所以高海拔应用时一般要做电压降额。

现在明白了吧，好好对待你的IGBT，多给它留点裕量。此外还要尽量降低环路杂感电感，避免产生过高的电压尖峰。如果杂感很难降低，也要加点保护，比如有源钳位、两电平关断、吸收电容。详细内容见后篇分解。

审核编辑 黄宇