IGBT安全工作區(qū)(SOA)知多少

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……

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)

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。

圖3

FBSOA簡化曲線

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(lán)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。

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。

2RBSOA – 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。

圖5.FP50R12N2T7的RBSOA曲線

看得仔細(xì)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。

圖6.模塊內(nèi)部雜散電感示意圖

3SCSOA – 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(jìn)行驗證，原理如圖8所示。

圖7.FP50R12N2T7的SCSOA數(shù)據(jù)

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(jìn)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%。

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

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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以IMD112T iMOTION Driver, iMOTION智能驅(qū)動器——帶功率器件驅(qū)動的電機控制器為核心的吊扇方案，功率器件：PFC采用8A 650V TRENCHSTOP5 H5 IGBT ，逆變器采用3A 600V逆導(dǎo)型IGBT。

產(chǎn)品規(guī)格：REF-SHA35WRC2SYS

相關(guān)器件：IKA08N65H5，IKN03N60RC2，IRS44273L和IMD112T

REF-SHA35WRC2SYS是一個多功能的入門套件，包括一塊主板和一塊帶IrDa傳感器的子卡以及一個匹配的遙控盒。

主板包括IMD112T iMOTION Driver, iMOTION智能驅(qū)動器——帶功率器件驅(qū)動的電機控制器，該電機控制器利用經(jīng)過現(xiàn)場驗證的MCE(電機控制引擎)提供交鑰匙的PFC和電機控制器，從而解決了吊扇電機控制算法開發(fā)過程中的軟件編碼。此外，還包括PFC電路，IGBT為8A 650V TRENCHSTOP5 H5 IGBT IKA08N65H5，柵極驅(qū)動器為IRS44273L;逆變器采用iMOTION Driver直接驅(qū)動3A 600V逆導(dǎo)型IGBT IKN03N60RC2。

直徑為90毫米的單層印刷電路板設(shè)計，成本低，可隨時復(fù)制，為普通吊扇設(shè)計提供參考。

產(chǎn)品特點

輸入電壓范圍120~300Vrms

最大輸入功率35W

PFC系數(shù)≥0.9和iTHD≤10% @ 230Vrms

板載PFC級(高達(dá)60kHz)

符合IEC61000-4-5 4kV浪涌標(biāo)準(zhǔn)

符合EN55032 B類EMI標(biāo)準(zhǔn)

板載過流保護和輔助電源

應(yīng)用價值

可復(fù)制的緊湊和高性價比的單層PCB設(shè)計

易于評估整個系統(tǒng)，包括紅外線遙控

現(xiàn)成的電機控制算法(包括PFC)適用于高效永磁同步電機(PMSM)

市場優(yōu)勢

吊扇市場是分散的，而且成本敏感

設(shè)計是根據(jù)印度市場的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)進(jìn)行測試

適用于研發(fā)知識有限的設(shè)計團隊

該設(shè)計是交鑰匙工程，不需要電機控制算法，是快速上市關(guān)鍵

該設(shè)計采用具有成本效益的單層PCB設(shè)計

應(yīng)用領(lǐng)域

電機控制和驅(qū)動

吊扇——電機控制和驅(qū)動解決方案

家用電器

電路框圖

相關(guān)產(chǎn)品

IMD112T iMOTION驅(qū)動器，集成了電機和PFC控制以及600V三相柵極驅(qū)動器，采用LQFP-40封裝

IKN03N60RC2 600V, 3A逆導(dǎo)型IGBT，采用SOT-223 IGBT最小封裝

IKA08N65H5 650V, 8A IGBT，帶反并聯(lián)二極管，采用TO-220封裝

IRS44273L 25V 單一低側(cè)柵極驅(qū)動器IC，單輸入，采用SOT-23封裝

審核編輯：湯梓紅