【導讀】失效器件送到原廠(chǎng)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)境和系統設計是密切相關(guān)的。
作為電力電子研發(fā)工程師，最不想見(jiàn)到的畫(huà)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
失效器件送到原廠(chǎng)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)境和系統設計是密切相關(guān)的。
整機產(chǎn)品里面包含的元器件數量少則幾十，多則上萬(wàn)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，能做的就是根據整機性能要求充分評估、測試元器件的各項關(guān)鍵參數，出現失效后，復盤(pán)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(chēng)safe operating area，簡(jiǎn)稱(chēng)SOA。顧名思義，也就是說(shuō)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(jiàn)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(diǎn)下文將一一道來(lái)。
1 FBSOA – 正向偏置安全工作區
圖2.IKW40N60H3 FBSOA曲線(xiàn)和瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)
IGBT的FBSOA是指IGBT的門(mén)極電壓VGE處于正向偏置（VGE>VGEth）時(shí)，溝道處于導通狀態(tài)時(shí)的安全工作區。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(gè)安全工作區的含義。圖2是IKW40N60H3的 FBSOA曲線(xiàn)，應該如何解讀呢？
圖三簡(jiǎn)化了FBSOA曲線(xiàn)，本質(zhì)上講，FBSOA曲線(xiàn)劃定了四條電壓-電流關(guān)系的邊界線(xiàn)，分別由AB段，BC段，CD段，DE段構成。
圖3
FBSOA簡(jiǎn)化曲線(xiàn)
圖4
IKW40N60H3輸出特性曲線(xiàn)
AB段規定了處于飽和導通狀態(tài)下IGBT的最大工作電流，這個(gè)電流與IGBT的門(mén)極驅動(dòng)電壓幅值密切相關(guān)，從圖4可以看出，IGBT的門(mén)極驅動(dòng)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(gè)電流是4倍的標稱(chēng)電流；
CD段是最復雜的，需要結合IGBT的瞬態(tài)熱阻來(lái)看。大家知道，IGBT有兩個(gè)工作區，線(xiàn)性區和飽和區，跨越過(guò)AB段之后，其實(shí)IGBT就處于線(xiàn)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(shí)Ptot=306W。同時(shí)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，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(tài)熱阻曲線(xiàn)，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(guān)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(guān)斷過(guò)程中CE在承受反向偏置電壓時(shí)能夠安全工作的區域，它規定了IGBT關(guān)斷時(shí)的動(dòng)態(tài)軌跡（I-V曲線(xiàn)）允許劃過(guò)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(xiàn)，可以看出，RBSOA曲線(xiàn)劃定了兩條電壓-電流關(guān)系的邊界線(xiàn)，水平方向的折線(xiàn)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(xiàn)是集射極CE擊穿電壓VBRCES。
圖5.FP50R12N2T7的RBSOA曲線(xiàn)
看得仔細的同學(xué)估計會(huì )問(wèn)，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(gè)IGBT晶圓構成IGBT模塊之后，模塊內部也會(huì )產(chǎn)生雜散電感，當IGBT快速關(guān)斷時(shí)，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(xiàn)會(huì )削掉一個(gè)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(diǎn)不同，通常沒(méi)有提供曲線(xiàn)，但是，會(huì )在其Datasheet中提供類(lèi)似圖7的短路電流ISC數據，可以看到，在給定的門(mén)極驅動(dòng)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(guān)斷IGBT，都可以保證IGBT不會(huì )損壞。
SCSOA也可以在實(shí)驗室內通過(guò)雙脈沖測試進(jìn)行驗證，原理如圖8所示。
圖7.FP50R12N2T7的SCSOA數據
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(hù)可以根據Datasheet提供的數據以及雙脈沖測試的結果，評估和優(yōu)化驅動(dòng)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(jìn)入線(xiàn)性工作區，溫升急劇上升，必須在8us內快速關(guān)斷IGBT，否則，IGBT就可能失效。
英飛凌給出了IGBT的短路耐受時(shí)間與門(mén)極驅動(dòng)電壓VGE、BUS電壓VCC，結溫Tvj之間的歸一化關(guān)系曲線(xiàn)，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(shí)間，可以看出，門(mén)極驅動(dòng)電壓/BUS電壓/結溫越高，IGBT所能承受的短路時(shí)間越短，反之，IGBT所能承受的短路時(shí)間越長(cháng)。這里簡(jiǎn)要的解釋一下，為什么門(mén)極驅動(dòng)電壓越高，短路耐受時(shí)間越短，同樣以FP50R12N2T7為例，圖10是此模塊的輸出特性曲線(xiàn)，可以看出，門(mén)極電壓幅值越高，其短路時(shí)的電流越大，也就是IGBT內部的開(kāi)關(guān)損耗越大，結溫增加越劇烈，所以，IGBT所能承受的短路時(shí)間必然縮短。同理，更高的BUS電壓也意味著(zhù)更大的開(kāi)關(guān)損耗，短路耐受時(shí)間也相應縮短。
同時(shí)可以看出，相比于門(mén)極驅動(dòng)電壓VGE以及BUS電壓VCC，結溫Tvj對于IGBT短路耐受時(shí)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(xiàn)，結溫Tvj從150℃增加為175℃，短路耐受時(shí)間僅從8us降為7us，結溫增加了16.7%，短路耐受時(shí)間僅下降了12.5%，作為對比，增加同等比例的門(mén)極驅動(dòng)電壓VGE以及BUS電壓VCC，短路耐受時(shí)間則下降了約30%。
圖9.IGBT7短路波形以及短路時(shí)間降額比例與VGE，VCC，Tvj的關(guān)系
圖10.FP50R12N2T7輸出特性曲線(xiàn)
4 結 論
本文簡(jiǎn)要介紹了IGBT的三種安全工作區，FBSOA，RBSOA，SCSOA，希望能夠幫助廣大的工程師朋友們快速的看懂并理解IGBT的規格書(shū)和各項關(guān)鍵參數，設計出合適的驅動(dòng)和保護電路，少吃炸雞。
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