原创 IGBT安全工作区(SOA)知多少

2022-9-27 10:01 165 1 1 分类: 机器人/ AI
IGBT安全工作区(SOA)知多少

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……

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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

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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。

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图3

FBSOA简化曲线

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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。

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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。   买电子元器件现货上唯样商城

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

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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。

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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。

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图7.FP50R12N2T7的SCSOA数据

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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%。

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图9.IGBT7短路波形以及短路时间降额比例与VGE,VCC,Tvj的关系

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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。


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