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IGBT安全工作區(qū)(SOA)知多少

發(fā)布時間:2022-07-21 來源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)設(shè)計是密切相關(guān)的。


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……


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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(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)設(shè)計是密切相關(guān)的。


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(yīng)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(guān)鍵參數(shù),出現(xiàn)失效后,復(fù)盤設(shè)計,復(fù)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(shè)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)


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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(dǎo)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(yīng)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(guān)系的邊界線,分別由AB段,BC段,CD段,DE段構(gòu)成。


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圖3

FBSOA簡化曲線

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圖4

IKW40N60H3輸出特性曲線


AB段規(guī)定了處于飽和導(dǎo)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(guān),從圖4可以看出,IGBT的門極驅(qū)動電壓幅值越高,飽和導(dǎo)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(fù)電流ICpuls,可對應(yīng)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(biāo)稱電流;


CD段是最復(fù)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(dǎo)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。


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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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(fù)集電極電流ICRM,垂直方向的折線是集射極CE擊穿電壓VBRCES。


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圖5.FP50R12N2T7的RBSOA曲線


看得仔細的同學(xué)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(dāng)IGBT快速關(guān)斷時,芯片與端子之間的雜散電感上的感應(yīng)電壓需要扣除,所以,模塊的RBSOA曲線會削掉一個角。


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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(guān)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。


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圖7.FP50R12N2T7的SCSOA數(shù)據(jù)


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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(shè)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)損耗,短路耐受時間也相應(yīng)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%。


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圖9.IGBT7短路波形以及短路時間降額比例與VGE,VCC,Tvj的關(guān)系


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圖10.FP50R12N2T7輸出特性曲線


4 結(jié) 論


本文簡要介紹了IGBT的三種安全工作區(qū),F(xiàn)BSOA,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(guī)格書和各項關(guān)鍵參數(shù),設(shè)計出合適的驅(qū)動和保護電路,少吃炸雞。



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