如何理解IGBT的四种SOA

如何理解IGBT的四种SOA

一般来说,IGBT的SOA主要分为四种:正偏安全工作区(Forward Bias SOA),反偏安全工作区(Reverse Bias SOA),短路安全工作区(Short Circuit SOA),雪崩安全工作区(Avalanche SOA)。与上一篇一样,我们只考虑IGBT的性能,不考虑与IGBT并联或者寄生的二极管的性能。


一 正偏安全工作区,FBSOA


IGBT的FBSOA是指IGBT的栅极电压Vge处于正向偏置(Vge>Vgeth),集射极沟道处于导通状态时的安全工作区。


一般的IGBT规格书都会给出FBSOA曲线,以英飞凌IKW40N65H5这颗器件为例,它的Datasheet的第一张图就给出了器件的FBSOA,如下图。

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那么,如何解读这张FBSOA图呢?


当我们观察一颗IGBT产品Datasheet的FBSOA时,单独地看这张曲线是没有多大意义的,因为FBSOA是IGBT各种工作状态的集合,必须结合IGBT的其他特性去理解全貌。


可以看到,上面这张FBSOA图规定了四条电压-电流关系的边界线,那这四个边界是如何得到的呢?


边界1:


针对边界1,我们需要结合IGBT的输出特性曲线去看。

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我们将输出特性曲线用蓝色实线示意到FBSOA图中,红色虚线是饱和区和线性放大区的分界线。那么在红色虚线左边,IGBT工作在饱和区,红色虚线右边,IGBT工作在线性放大区。


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因此,边界1规定了处于饱和态的IGBT的最大工作电流,这个边界由IGBT的输出特性的极限(或称饱和区的极限I-V曲线)决定。


边界2:


边界2一般由Icpulse定义。所谓ICpulse,是指最大可重复电流,有些地方叫做ICSM,一般是3倍的额定电流。至于为什么要这样定义倍数,器件设计人员给我的答案是约定俗成,我的个人理解是从结温以及键合线的高温疲劳强度两个方面的考虑,不知道是否正确,希望懂的人给我私信,有机会在单独探讨这个问题。


边界3


边界3这条线就需要结合IGBT的热阻来看了。首先我们看到,SOA曲线的横纵坐标都是对数坐标,在对数坐标下的直线上的点,其横纵坐标的乘积为常数。可以从如下公式得出:

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因此,边界3的这一簇直线,分别代表不同的功率值。那么这些功率值是如何得到的呢?


在我以前的公众号中有介绍,IGBT的额定电流值实际上是根据热阻及结温去定义的。其实,这个SOA曲线中的功率值也是根据热阻和最大结温去定义的。


当规定壳温(Case温度,Tc)为25,并且允许的最大芯片结温Tjmax为150时,从结到壳的温差就规定了,根据热阻公式,如果已知此时的热阻,则可以计算出最大允许的功率。

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然而,更多工况下,在正偏工作状态施加给IGBT的电压电流是脉冲量,因此需要知道功率脉宽。同时热阻也不再是稳态热阻,而是瞬态热阻

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瞬态热阻曲线也由规格书提供,如下图。

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在边界3的IGBT的功率脉冲和结温图可以用下图描述。

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边界4


边界4最容易理解,它规定了器件的耐压,一般取击穿电压值BVCES(或称Vbrces)作为边界4。需要注意的是,IGBT的耐压是和温度相关的,温度越高,相对耐压越高,对于电压应力比较临界的场合,一定要考核系统的高低温极限电压应力情况。


二 反偏安全工作区,RBSOA


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。


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IGBT关断时,由于线路的寄生电感的存在,芯片的CE电压往往会被感性能量冲高,因此RBSOA会规定最大的反偏电压,为器件的极限耐压。如果IGBT封装在模块中,Bonding线也会产生压降,因此IGBT模组往往会同时给出IGBT芯片和模组的两个RBSOA耐压边界,如下图。

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另一方面,RBSOA的极限电流是如何定义的呢?如果大家看得规格书比较多,就会发现大部分Datasheet都会给出Turn off Safe Operation Aera,这个电流值即为RBSOA的极限电流。


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仔细观察都会发现,这个RBSOA的电流值,和ICpulse的值相等,都是3倍的额定电流。原因是什么呢?


为了回答这个问题,要知道RBSOA电流限值是如何测试的。


一般规格书给出的值,都是有相应的测试保证的,RBSOA的测试一般使用脉冲测试平台,并且引入钳位机制来限制关断电压。例如,可以用双脉冲测试平台去测试RBSOA,此时关断时IGBT的电压被限制在电源电压。如果需要钳位电压更低,则可以引入其他钳位电路,例如使用大电解电容,将关断电压钳位在0.8倍的BVCES。这种测试电路被称为钳位感性负载测试电路

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在这种测试平台下,一般厂家都会对每一颗成品IGBT做极限测试,如果将RBSOA的电流规定为3倍的额定电流,则在双脉冲平台(或者其他钳位感性负载测试平台)按3倍额定电流进行IGBT的关断,关断后器件不损坏,即可认为器件通过RBSOA的测试。

实际情况是,3倍的额定电流一般不会让器件在这样的测试平台中出现损坏,有些厂家甚至能保证器件的RB电流值达到4倍甚至5倍的额定电流。


三 短路安全工作区,SCSOA


公众号的上一篇文章已经对IGBT短路的机理及量化标准做了一些介绍,读者可以参考上一篇“IGBT短路,你了解多少?”。本文补充一点,就是SCSOA规定的短路电流要比3倍的额定电流大,IGBT的短路电流量级一般是在10倍的额定电流。同时,短路造成的损坏,也可以包含RBSOA的损坏。例如第二类短路,如果在关断时刻外部感性能量使得IGBT的CE电压冲得很高,一样也会造成耐压击穿失效。


四 雪崩安全工作区,Avalanche SOA


与RBSOA的测试类似,针对功率半导体器件也会有专门的一套雪崩测试机制。与RBSOA不同的是,雪崩能力测试会去掉钳位电路,例如上图中的二极管去掉,这种测试电路被称为非钳位感性负载测试电路,关断阶段所有的感性能量都被释放到了IGBT。

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一般而言,很少有半导体厂家会在Datasheet中规定IGBT的雪崩能力,往往只给出Turn off SOA,这是因为IGBT的抗雪崩能力是相对较弱的。

但大部分MOSFET的Datasheet一般都会提供雪崩能量值,同时给出雪崩测试时对应的电感感值、关断电流值、母线电压值、驱动电压值及IGBT壳温。

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