IGBT安全工作區(qū)（SOA）知多少

作者：時間：2022-07-21 來源：英飛凌

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失效器件送到原廠做FA分析，看到的字眼通常包含over voltage，over current，short circuit，EOS等，但是，其失效的深層原因與整機的應用環(huán)境和系統(tǒng)設計是密切相關的。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202207/436470.htm

作為電力電子研發(fā)工程師，最不想見到的畫面之一一定有下面這樣的圖片，完了，BBQ了……

圖1.IGBT單管和模塊的典型失效圖片

整機產(chǎn)品里面包含的元器件數(shù)量少則幾十，多則上萬甚至更多，應用環(huán)境千奇百怪，元器件的失效就不可避免，作為工程師，能做的就是根據(jù)整機性能要求充分評估、測試元器件的各項關鍵參數(shù)，出現(xiàn)失效后，復盤設計，復現(xiàn)失效，找出根因，避免再次掉坑。

今天，本文就和大家嘮一嘮IGBT的安全工作區(qū)，英文全稱safe operating area，簡稱SOA。顧名思義，也就是說只要使用的條件（電壓、電流、結(jié)溫等）不超出SOA圈定的邊界，IGBT必然能夠按照工程師的設計意圖，任勞任怨的持續(xù)運行，反之，則是如上的死給你看……

常見的IGBT安全工作區(qū)有：FBSOA(Forward Bias SOA–正向偏置安全工作區(qū))，RBSOA (Reverse Bias SOA–反向偏置安全工作區(qū)), SCSOA(Short Circuit SOA–短路安全工作區(qū))。各項SOA的特點下文將一一道來。

1 FBSOA – 正向偏置安全工作區(qū)

圖2.IKW40N60H3 FBSOA曲線和瞬態(tài)熱阻曲線

IGBT的FBSOA是指IGBT的門極電壓VGE處于正向偏置（VGE>VGEth）時，溝道處于導通狀態(tài)時的安全工作區(qū)。FBSOA是IGBT各種工作狀態(tài)的集合，必須集合IGBT的其它特性去理解這個安全工作區(qū)的含義。圖2是IKW40N60H3的 FBSOA曲線，應該如何解讀呢？

圖三簡化了FBSOA曲線，本質(zhì)上講，F(xiàn)BSOA曲線劃定了四條電壓-電流關系的邊界線，分別由AB段，BC段，CD段，DE段構(gòu)成。

圖3

FBSOA簡化曲線

圖4

IKW40N60H3輸出特性曲線

AB段規(guī)定了處于飽和導通狀態(tài)下IGBT的最大工作電流，這個電流與IGBT的門極驅(qū)動電壓幅值密切相關，從圖4可以看出，IGBT的門極驅(qū)動電壓幅值越高，飽和導通狀態(tài)下的最大工作電流越大。

BC段規(guī)定了IGBT的最大可重復電流ICpuls，可對應的從英飛凌的40A 600V IGBT,IKW40N60H3的Datasheet中找到ICpuls=160A，這個電流是4倍的標稱電流；

CD段是最復雜的，需要結(jié)合IGBT的瞬態(tài)熱阻來看。大家知道，IGBT有兩個工作區(qū)，線性區(qū)和飽和區(qū)，跨越過AB段之后，其實IGBT就處于線性區(qū)了，也就是退出飽和導通區(qū)了，IGBT的損耗急劇上升，所以，這條邊界體現(xiàn)了IGBT能承受的最大耗散功率Ptot，查閱其Datasheet，25℃殼溫時Ptot=306W。同時可以看出，集射極CE兩端電壓越高，IGBT所能承受的電流脈沖幅值越低，另外，電流脈沖寬度越大，IGBT所能承受的電流幅值也越低。

從圖2可以看出，藍色CD段各種脈沖寬度下的SOA，均是單脈沖安全工作區(qū)，非連續(xù)工作情況下的工作區(qū)，所以，必須參考圖2右側(cè)的IGBT瞬態(tài)熱阻曲線，由公式（1）計算出在指定VCE條件下允許的電流IC的幅值和脈寬。

DE段最容易理解，它規(guī)定了IGBT的集射極CE擊穿電壓，需要注意的是，IGBT的CE擊穿電壓是和結(jié)溫正相關的，結(jié)溫越低，CE擊穿電壓也越低。

2 RBSOA – 反向偏置安全工作區(qū)

RBSOA是指IGBT的關斷過程中CE在承受反向偏置電壓時能夠安全工作的區(qū)域，它規(guī)定了IGBT關斷時的動態(tài)軌跡（I-V曲線）允許劃過的范圍。RBSOA由最大集電極電流、最大集射極電壓、最大允許電壓上升率dvCE?dt決定。

圖5是50A 1200V IGBT模塊FP50R12N2T7的RBSOA曲線，可以看出，RBSOA曲線劃定了兩條電壓-電流關系的邊界線，水平方向的折線是集電極電流IC，定義了IGBT模塊的可重復集電極電流ICRM，垂直方向的折線是集射極CE擊穿電壓VBRCES。

圖5.FP50R12N2T7的RBSOA曲線

看得仔細的同學估計會問，為什么集射極CE擊穿電壓VBRCES還分芯片和模塊的呢？因為，多個IGBT晶圓構(gòu)成IGBT模塊之后，模塊內(nèi)部也會產(chǎn)生雜散電感，當IGBT快速關斷時，芯片與端子之間的雜散電感上的感應電壓需要扣除，所以，模塊的RBSOA曲線會削掉一個角。

圖6.模塊內(nèi)部雜散電感示意圖

3 SCSOA – 短路安全工作區(qū)

IGBT的SCSOA與前面介紹的FBSOA，RBSOA有一點不同，通常沒有提供曲線，但是，會在其Datasheet中提供類似圖7的短路電流ISC數(shù)據(jù)，可以看到，在給定的門極驅(qū)動電壓VGE、BUS電壓VCC，150℃結(jié)溫下Tvj，IGBT模塊FP50R12N2T7可以承受短路電流190A，只要能夠在8us內(nèi)關斷IGBT，都可以保證IGBT不會損壞。

SCSOA也可以在實驗室內(nèi)通過雙脈沖測試進行驗證，原理如圖8所示。

圖7.FP50R12N2T7的SCSOA數(shù)據(jù)

圖8.雙脈沖測試示意圖

短路屬于極端工況，借助雙脈沖測試，客戶可以根據(jù)Datasheet提供的數(shù)據(jù)以及雙脈沖測試的結(jié)果，評估和優(yōu)化驅(qū)動電路、保護電路的設計，以及功率回路雜散電感的影響。短路期間，IGBT快速進入線性工作區(qū)，溫升急劇上升，必須在8us內(nèi)快速關斷IGBT，否則，IGBT就可能失效。

英飛凌給出了IGBT的短路耐受時間與門極驅(qū)動電壓VGE、BUS電壓VCC，結(jié)溫Tvj之間的歸一化關系曲線，如圖9所示，橫軸代表了VGE，VCC，Tvj，縱軸代表了可以承受的短路電流時間，可以看出，門極驅(qū)動電壓/BUS電壓/結(jié)溫越高，IGBT所能承受的短路時間越短，反之，IGBT所能承受的短路時間越長。這里簡要的解釋一下，為什么門極驅(qū)動電壓越高，短路耐受時間越短，同樣以FP50R12N2T7為例，圖10是此模塊的輸出特性曲線，可以看出，門極電壓幅值越高，其短路時的電流越大，也就是IGBT內(nèi)部的開關損耗越大，結(jié)溫增加越劇烈，所以，IGBT所能承受的短路時間必然縮短。同理，更高的BUS電壓也意味著更大的開關損耗，短路耐受時間也相應縮短。

同時可以看出，相比于門極驅(qū)動電壓VGE以及BUS電壓VCC，結(jié)溫Tvj對于IGBT短路耐受時間的影響比較溫和，以圖7的FP50R12N2T7為例，結(jié)合圖9的歸一化曲線，結(jié)溫Tvj從150℃增加為175℃，短路耐受時間僅從8us降為7us，結(jié)溫增加了16.7%，短路耐受時間僅下降了12.5%，作為對比，增加同等比例的門極驅(qū)動電壓VGE以及BUS電壓VCC，短路耐受時間則下降了約30%。