IGBT安全工作區(SOA)知多少

關鍵字 :Infineon 英飛凌 IGBT安全工作區 SOA FBSOA RBSOA SCSOA

作者：英飛凌工業半導體

作為電力電子研發工程師，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
圖1.IGBT單管和模塊的典型失效圖片

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境和系統設計是密切相關的。

整機產品裡面包含的元器件數量少則幾十，多則上萬甚至更多，應用環境千奇百怪，元器件的失效就不可避免，作為工程師，能做的就是根據整機性能要求充分評估、測試元器件的各項關鍵參數，出現失效後，復盤設計，復現失效，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，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，任勞任怨的持續運行，反之，則是如上的死給你看……

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

1、FBSOA – 正向偏置安全工作區

圖2.IKW40N60H3 FBSOA曲線和瞬態熱阻曲線

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

圖三簡化了FBSOA曲線，本質上講，FBSOA曲線劃定了四條電壓-電流關係的邊界線，分別由AB段，BC段，CD段，DE段構成。

AB段規定了處於飽和導通狀態下IGBT的最大工作電流，這個電流與IGBT的門極驅動電壓幅值密切相關，從圖4可以看出，IGBT的門極驅動電壓幅值越高，飽和導通狀態下的最大工作電流越大。

BC段規定了IGBT的最大可重複電流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段是最複雜的，需要結合IGBT的瞬態熱阻來看。大家知道，IGBT有兩個工作區，線性區和飽和區，跨越過AB段之後，其實IGBT就處於線性區了，也就是退出飽和導通區了，IGBT的損耗急劇上升，所以，這條邊界體現了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所能承受的電流脈衝幅值越低，另外，電流脈衝寬度越大，IGBT所能承受的電流幅值也越低。

從圖2可以看出，藍色CD段各種脈衝寬度下的SOA，均是單脈衝安全工作區，非連續工作情況下的工作區，所以，必須參考圖2右側的IGBT瞬態熱阻曲線，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擊穿電壓是和結溫正相關的，結溫越低，CE擊穿電壓也越低。

2、RBSOA – 反向偏置安全工作區

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域，它規定了IGBT關斷時的動態軌跡（I-V曲線）允許划過的範圍。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-電流關係的邊界線，水平方向的折線是集電極電流IC，定義了IGBT模塊的可重複集電極電流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，為什麼集射極CE擊穿電壓VBRCES還分晶片和模塊的呢？因為，多個IGBT晶圓構成IGBT模塊之後，模塊內部也會產生雜散電感，當IGBT快速關斷時，晶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.模塊內部雜散電感示意圖

3、SCSOA – 短路安全工作區

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數據，可以看到，在給定的門極驅動電壓VGE、BUS電壓VCC，150℃結溫下Tvj，IGBT模塊FP50R12N2T7可以承受短路電流190A，只要能夠在8us內關斷IGBT，都可以保證IGBT不會損壞。

SCSOA也可以在實驗室內通過雙脈衝測試進行驗證，原理如圖8所示。

圖7.FP50R12N2T7的SCSOA數據

圖8.雙脈衝測試示意圖

短路屬於極端工況，藉助雙脈衝測試，客戶可以根據Datasheet提供的數據以及雙脈衝測試的結果，評估和優化驅動電路、保護電路的設計，以及功率迴路雜散電感的影響。短路期間，IGBT快速進入線性工作區，溫升急劇上升，必須在8us內快速關斷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動電壓VGE、BUS電壓VCC，結溫Tvj之間的歸一化關係曲線，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，門極驅動電壓/BUS電壓/結溫越高，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。這裡簡要的解釋一下，為什麼門極驅動電壓越高，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內部的開關損耗越大，結溫增加越劇烈，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，相比於門極驅動電壓VGE以及BUS電壓VCC，結溫Tvj對於IGBT短路耐受時間的影響比較溫和，以圖7的FP50R12N2T7為例，結合圖9的歸一化曲線，結溫Tvj從150℃增加為175℃，短路耐受時間僅從8us降為7us，結溫增加了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動電壓VGE以及BUS電壓VCC，短路耐受時間則下降了約30%。

圖9.IGBT7短路波形以及短路時間降額比例與VGE，VCC，Tvj的關係