Investigation of high power IGBT modules under short circuit conditions

The demand for fast and energy efficient power switching devices has grown rapidly in recent years. In this scenario, IGBTs have become the leading technology for high power applications up to the megawatt range. In particular, Trench-Field-Stop IGBTs have gained relevant advantage over Non-Punch- Through IGBTs for high voltage applications due to their reduced switching losses. This work focuses on the investigation of the switching behaviour of Trench- Field-Stop High-Voltage IGBT modules under short-circuit conditions. The aim is to provide a detailed analysis of the phenomena involved in a short-circuit event with a focus on the parameters involved in determining the device behaviour. Such analysis is a step to meet the growing demand for reliability. IGBTs have an inherent capability to limit the current occurring during a short- circuit event. Care, however, must be taken to prevent failures of the device, in particular if the failure mode can lead the device to be conducting on fail. Preventing failures is even more important when high power architectures are involved. In fact, in case of failure, the high energies involved may cause catastrophic failures of the entire power system. The investigation was carried out at the High Power Module Development Department of Infineon Technologies AG in Warstein, Germany. The analysis is focused on high voltage IGBT modules produced by Infineon Technologies AG rated for 3.3kV. In field applications, IGBTs can run into different short-circuit event types. Here, short-circuit type-I, type-II and type-III are considered. The investigation of short-circuit type-I was tailored on evaluating the detrimental effects of connecting high power modules in asymmetric setups. The current sharing among the systems was analysed, and on-chip measurements were performed to find the root causes leading to uneven current distribution. The short-circuit ruggedness was evaluated in order to find the set of conditions causing failures. The investigation of short-circuit type-II focused on the occurrence of the Self- Turn-Off effect and the evaluation of how this affects the short-circuit withstanding capability of the module. The Self-Turn-Off was deeply analysed and an experimental proof linking this effect to the onset of a negative differential Miller capacitance is presented. Moreover, a systematic analysis of how single parameters affect the short-circuit transient is carried out. The investigation of short-circuit type-III focused on evaluating similarities and differences between short-circuit type-II and type-III. An experimental investigation of the stress taken by the freewheeling diode during the short- circuit transient is here presented. A systematic analysis of how single parameters affect the short-circuit transient is given, following the same arguments considered for short-circuit Type-II.

Il mercato dei dispositivi di potenza sta registrando negli ultimi anni un forte incremento della domanda di dispositivi capaci di coniugare prestazioni ed efficienza energetica. In questo scenario, gli IGBT si sono affermati come leader per le applicazioni ad alta potenza fino all’ordine dei megawatt. In dettaglio i Trench-Field-Stop IGBT, grazie alla loro ridotta dissipazione energetica, si sono rivelati particolarmente adatti per applicazioni ad alto voltaggio rispetto ai Non- Punch-Through IGBT. Il presente elaborato è incentrato sullo studio di moduli Trench-Field-Stop IGBT posti in condizioni di corto-circuito, allo scopo di fornire un’analisi dettagliata del comportamento di tali dispositivi. Particolare attenzione è stata posta nel valutare l’influenza di singoli parametri sul comportamento dei dispositivi. Questo studio rappresenta un primo passo verso l’ottimizzazione dell’affidabilità degli IGBT ad alta tensione e alta potenza. Se sottoposti a condizioni di corto-circuito, gli IGBT sono in grado di auto- limitare il quantitativo di corrente all’interno del sistema e salvaguardare, quindi, il sistema stesso. Affinché ciò sia possibile è tuttavia necessario evitare che la commutazione in condizioni di corto-circuito causi danni al dispositivo il quale, se danneggiato, potrebbe tramutarsi esso stesso in un corto e perdere così la capacità di limitare la corrente. La prevenzione di danni ai dispositivi acquisisce maggiore rilevanza nel caso di applicazioni ad alta potenza. Infatti, in questo caso, le elevate energie in gioco all’interno del sistema potrebbero apportare seri danni all’intero sistema nel caso in cui venisse meno l’azione limitante dei dispositivi IGBT. Questo studio è stato sviluppato presso l’“High Power Development Department” di “Infineon Technologies AG” con sede a Warstein (Germania). L’intera analisi è stata incentrata su moduli IGBT ad alto voltaggio prodotti da “Infineon Technologies AG” con tensione di collettore nominale di 3.3kV. Nel corso del loro normale utilizzo, gli IGBT possono incorrere in diverse tipologie di corto-circuito. L’analisi proposta è incentrato sulle tre principali tipologie denominate rispettivamente tipo-I, tipo-II e tipo-III. La caratterizzazione dei corto-circuiti di tipo-I è stata incentrata sulla valutazione degli effetti che l’uso di connessioni asimmetriche di moduli ad alta potenza può avere sulla robustezza dei dispositivi stessi. Per mezzo di misurazioni effettuate sia sui moduli sia sui singoli chip all’interno del modulo, è stata valutata l’influenza delle asimmetrie impedenziali sulla ripartizione delle correnti tra i sistemi che compongono il modulo stesso. È stato inoltre effettuato uno studio sulla robustezza dei dispositivi per determinare le condizioni in cui si evidenziano danni permanenti ai dispostivi stessi e valutarne le possibili cause. Lo studio dei corto-circuiti di tipo-II è stato incentrato sulla valutazione del “Self-Turn-Off” e dei suoi effetti sull’evoluzione dell’evento di corto-circuito. Il “Self-Turn-Off” è stato ampiamente analizzato e viene proposta una prova sperimentale del legame tra la riduzione della capacità di Miller e il “Self-Turn- Off” stesso. È stata, inoltre, effettuata un’analisi sistematica dell’ influenza di singoli parametri sul comportamento dei moduli durante un corto-circuito di tipo-II. Lo studio dei corto-circuiti di tipo-III è stato focalizzato sullo studio dei punti in comune tra eventi di tipo-II e di tipo-III. Viene, inoltre, proposta per la prima volta un’analisi dello stress a carico dei diodi di “freewheeling” nel corso del corto-circuito. Anche in questo caso, sulla base delle argomentazioni proposte per il corto-circuito di tipo-II, è stata effettuata un’analisi sistematica dell’influenza di singoli parametri sul comportamento dei moduli.