失效器件送到原厂做FA分析，看到的字眼通常包含over voltage，over current，short circuit，EOS等，但是，其失效的深层原因与整机的应用环境和系统设计是密切相关的。 作为电力电子研发工程师，最不想见到的画面之一一定有下面这样的图片，完了，BBQ了……
图1.IGBT单管和模块的典型失效图片 失效器件送到原厂做FA分析，看到的字眼通常包含over voltage，over current，short circuit，EOS等，但是，其失效的深层原因与整机的应用环境和系统设计是密切相关的。 整机产品里面包含的元器件数量少则几十，多则上万甚至更多，应用环境千奇百怪，元器件的失效就不可避免，作为工程师，能做的就是根据整机性能要求充分评估、测试元器件的各项关键参数，出现失效后，复盘设计，复现失效，找出根因，避免再次掉坑。 今天，本文就和大家唠一唠IGBT的安全工作区，英文全称safe operating area，简称SOA。顾名思义，也就是说只要使用的条件（电压、电流、结温等）不超出SOA圈定的边界，IGBT必然能够按照工程师的设计意图，任劳任怨的持续运行，反之，则是如上的死给你看…… 常见的IGBT安全工作区有：FBSOA(Forward Bias SOA–正向偏置安全工作区)，RBSOA (Reverse Bias SOA–反向偏置安全工作区), SCSOA(Short Circuit SOA–短路安全工作区)。各项SOA的特点下文将一一道来。 1 FBSOA – 正向偏置安全工作区
图2.IKW40N60H3 FBSOA曲线和瞬态热阻曲线 IGBT的FBSOA是指IGBT的门极电压VGE处于正向偏置（VGE>VGEth）时，沟道处于导通状态时的安全工作区。FBSOA是IGBT各种工作状态的集合，必须集合IGBT的其它特性去理解这个安全工作区的含义。图2是IKW40N60H3的 FBSOA曲线，应该如何解读呢？ 图三简化了FBSOA曲线，本质上讲，FBSOA曲线划定了四条电压-电流关系的边界线，分别由AB段，BC段，CD段，DE段构成。
图3 FBSOA简化曲线
图4 IKW40N60H3输出特性曲线 AB段规定了处于饱和导通状态下IGBT的最大工作电流，这个电流与IGBT的门极驱动电压幅值密切相关，从图4可以看出，IGBT的门极驱动电压幅值越高，饱和导通状态下的最大工作电流越大。 BC段规定了IGBT的最大可重复电流ICpuls，可对应的从英飞凌的40A 600V IGBT,IKW40N60H3的Datasheet中找到ICpuls=160A，这个电流是4倍的标称电流； CD段是最复杂的，需要结合IGBT的瞬态热阻来看。大家知道，IGBT有两个工作区，线性区和饱和区，跨越过AB段之后，其实IGBT就处于线性区了，也就是退出饱和导通区了，IGBT的损耗急剧上升，所以，这条边界体现了IGBT能承受的最大耗散功率Ptot，查阅其Datasheet，25℃壳温时Ptot=306W。同时可以看出，集射极CE两端电压越高，IGBT所能承受的电流脉冲幅值越低，另外，电流脉冲宽度越大，IGBT所能承受的电流幅值也越低。 从图2可以看出，蓝色CD段各种脉冲宽度下的SOA，均是单脉冲安全工作区，非连续工作情况下的工作区，所以，必须参考图2右侧的IGBT瞬态热阻曲线，由公式（1）计算出在指定VCE条件下允许的电流IC的幅值和脉宽。
DE段最容易理解，它规定了IGBT的集射极CE击穿电压，需要注意的是，IGBT的CE击穿电压是和结温正相关的，结温越低，CE击穿电压也越低。 2 RBSOA – 反向偏置安全工作区 RBSOA是指IGBT的关断过程中CE在承受反向偏置电压时能够安全工作的区域，它规定了IGBT关断时的动态轨迹（I-V曲线）允许划过的范围。RBSOA由最大集电极电流、最大集射极电压、最大允许电压上升率dvCE⁄dt决定。 图5是50A 1200V IGBT模块FP50R12N2T7的RBSOA曲线，可以看出，RBSOA曲线划定了两条电压-电流关系的边界线，水平方向的折线是集电极电流IC，定义了IGBT模块的可重复集电极电流ICRM，垂直方向的折线是集射极CE击穿电压VBRCES。
图5.FP50R12N2T7的RBSOA曲线 看得仔细的同学估计会问，为什么集射极CE击穿电压VBRCES还分芯片和模块的呢？因为，多个IGBT晶圆构成IGBT模块之后，模块内部也会产生杂散电感，当IGBT快速关断时，芯片与端子之间的杂散电感上的感应电压需要扣除，所以，模块的RBSOA曲线会削掉一个角。
图6.模块内部杂散电感示意图 3 SCSOA – 短路安全工作区 IGBT的SCSOA与前面介绍的FBSOA，RBSOA有一点不同，通常没有提供曲线，但是，会在其Datasheet中提供类似图7的短路电流ISC数据，可以看到，在给定的门极驱动电压VGE、BUS电压VCC，150℃结温下Tvj，IGBT模块FP50R12N2T7可以承受短路电流190A，只要能够在8us内关断IGBT，都可以保证IGBT不会损坏。 SCSOA也可以在实验室内通过双脉冲测试进行验证，原理如图8所示。
图7.FP50R12N2T7的SCSOA数据
图8.双脉冲测试示意图 短路属于极端工况，借助双脉冲测试，客户可以根据Datasheet提供的数据以及双脉冲测试的结果，评估和优化驱动电路、保护电路的设计，以及功率回路杂散电感的影响。短路期间，IGBT快速进入线性工作区，温升急剧上升，必须在8us内快速关断IGBT，否则，IGBT就可能失效。 英飞凌给出了IGBT的短路耐受时间与门极驱动电压VGE、BUS电压VCC，结温Tvj之间的归一化关系曲线，如图9所示，横轴代表了VGE，VCC，Tvj，纵轴代表了可以承受的短路电流时间，可以看出，门极驱动电压/BUS电压/结温越高，IGBT所能承受的短路时间越短，反之，IGBT所能承受的短路时间越长。这里简要的解释一下，为什么门极驱动电压越高，短路耐受时间越短，同样以FP50R12N2T7为例，图10是此模块的输出特性曲线，可以看出，门极电压幅值越高，其短路时的电流越大，也就是IGBT内部的开关损耗越大，结温增加越剧烈，所以，IGBT所能承受的短路时间必然缩短。同理，更高的BUS电压也意味着更大的开关损耗，短路耐受时间也相应缩短。 同时可以看出，相比于门极驱动电压VGE以及BUS电压VCC，结温Tvj对于IGBT短路耐受时间的影响比较温和，以图7的FP50R12N2T7为例，结合图9的归一化曲线，结温Tvj从150℃增加为175℃，短路耐受时间仅从8us降为7us，结温增加了16.7%，短路耐受时间仅下降了12.5%，作为对比，增加同等比例的门极驱动电压VGE以及BUS电压VCC，短路耐受时间则下降了约30%。
图9.IGBT7短路波形以及短路时间降额比例与VGE，VCC，Tvj的关系
图10.FP50R12N2T7输出特性曲线 4 结 论 本文简要介绍了IGBT的三种安全工作区，FBSOA，RBSOA，SCSOA，希望能够帮助广大的工程师朋友们快速的看懂并理解IGBT的规格书和各项关键参数，设计出合适的驱动和保护电路，少吃炸鸡。 |
