最近和一些EE工程師聊到IGBT的技術(shù)問題，聊的過程中發(fā)現(xiàn)，他們最感興趣的問題大多是關(guān)于功率器件極限能力的評估方法，因?yàn)檫@些問題直接關(guān)系到了系統(tǒng)的可靠性。

既然廠商在Datasheet中給出了安全工作區(qū)（Safe Operating Aera，SOA）的曲線，白紙黑字地指明了操作功率器件的安全參數(shù)極限，如果沒有一個具體的定義方法的說明，相信大多數(shù)應(yīng)用人員都會對規(guī)格書中的SOA區(qū)有一種“猶抱琵琶半遮面”的感覺。

今天，我們就這個大家最關(guān)心的幾種SOA，和大家分享一下各種SOA的定義方法和物理意義，下文掃盲開始。

一般來說，IGBT的SOA主要分為四種： 正偏安全工作區(qū) （Forward Bias SOA）， 反偏安全工作區(qū) （Reverse Bias SOA）， 短路安全工作區(qū) （Short Circuit SOA）， 雪崩安全工作區(qū) （Avalanche SOA）。與上一篇一樣，我們只考慮IGBT的性能，不考慮與IGBT并聯(lián)或者寄生的二極管的性能。

一 正偏安全工作區(qū)，F(xiàn)BSOA

IGBT的FBSOA是指IGBT的柵極電壓Vge處于正向偏置（Vge>Vgeth）,集射極溝道處于導(dǎo)通狀態(tài)時的安全工作區(qū)。

一般的IGBT規(guī)格書都會給出FBSOA曲線，以英飛凌IKW40N65H5這顆器件為例，它的Datasheet的第一張圖就給出了器件的FBSOA，如下圖。

那么，如何解讀這張F(tuán)BSOA圖呢？

當(dāng)我們觀察一顆IGBT產(chǎn)品Datasheet的FBSOA時，單獨(dú)地看這張曲線是沒有多大意義的，因?yàn)?strong>FBSOA是IGBT各種工作狀態(tài)的集合，必須結(jié)合IGBT的其他特性去理解全貌。

可以看到，上面這張F(tuán)BSOA圖規(guī)定了四條電壓-電流關(guān)系的邊界線，那這四個邊界是如何得到的呢？

邊界1：

針對邊界1，我們需要結(jié)合IGBT的輸出特性曲線去看。

我們將輸出特性曲線用藍(lán)色實(shí)線示意到FBSOA圖中，紅色虛線是飽和區(qū)和線性放大區(qū)的分界線。那么在紅色虛線左邊，IGBT工作在飽和區(qū)，紅色虛線右邊，IGBT工作在線性放大區(qū)。

因此，邊界1規(guī)定了處于飽和態(tài)的IGBT的最大工作電流，這個邊界由IGBT的輸出特性的極限（或稱飽和區(qū)的極限I-V曲線）決定。

邊界2：

邊界2一般由Icpulse定義。所謂ICpulse，是指最大可重復(fù)電流，有些地方叫做ICSM，一般是3倍的額定電流。至于為什么要這樣定義倍數(shù)，器件設(shè)計(jì)人員給我的答案是約定俗成，我的個人理解是從結(jié)溫以及鍵合線的高溫疲勞強(qiáng)度兩個方面的考慮，不知道是否正確，希望懂的人給我私信，有機(jī)會在單獨(dú)探討這個問題。

邊界3

邊界3這條線就需要結(jié)合IGBT的熱阻來看了。首先我們看到，SOA曲線的橫縱坐標(biāo)都是對數(shù)坐標(biāo)，在對數(shù)坐標(biāo)下的直線上的點(diǎn)，其橫縱坐標(biāo)的乘積為常數(shù)。可以從如下公式得出：

因此，邊界3的這一簇直線，分別代表不同的功率值。那么這些功率值是如何得到的呢？

在我以前的公眾號中有介紹，IGBT的額定電流值實(shí)際上是根據(jù)熱阻及結(jié)溫去定義的。其實(shí)，這個SOA曲線中的功率值也是根據(jù)熱阻和最大結(jié)溫去定義的。

當(dāng)規(guī)定殼溫（Case溫度，Tc）為25，并且允許的最大芯片結(jié)溫Tjmax為150時，從結(jié)到殼的溫差就規(guī)定了，根據(jù)熱阻公式，如果已知此時的熱阻，則可以計(jì)算出最大允許的功率。

然而，更多工況下，在正偏工作狀態(tài)施加給IGBT的電壓電流是脈沖量，因此需要知道功率脈寬。同時熱阻也不再是穩(wěn)態(tài)熱阻，而是 瞬態(tài)熱阻 。

瞬態(tài)熱阻曲線也由規(guī)格書提供，如下圖。

在邊界3的IGBT的功率脈沖和結(jié)溫圖可以用下圖描述。

邊界4

邊界4最容易理解，它規(guī)定了器件的耐壓，一般取擊穿電壓值BVCES（或稱Vbrces）作為邊界4。需要注意的是，IGBT的耐壓是和溫度相關(guān)的，溫度越高，相對耐壓越高，對于電壓應(yīng)力比較臨界的場合，一定要考核系統(tǒng)的高低溫極限電壓應(yīng)力情況。

二 反偏安全工作區(qū)，RBSOA

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。

IGBT關(guān)斷時，由于線路的寄生電感的存在，芯片的CE電壓往往會被感性能量沖高，因此RBSOA會規(guī)定最大的反偏電壓，為器件的極限耐壓。如果IGBT封裝在模塊中，Bonding線也會產(chǎn)生壓降，因此IGBT模組往往會同時給出IGBT芯片和模組的兩個RBSOA耐壓邊界，如下圖。

另一方面，RBSOA的極限電流是如何定義的呢？如果大家看得規(guī)格書比較多，就會發(fā)現(xiàn)大部分Datasheet都會給出Turn off Safe Operation Aera，這個電流值即為RBSOA的極限電流。

仔細(xì)觀察都會發(fā)現(xiàn)，這個RBSOA的電流值，和ICpulse的值相等，都是3倍的額定電流。原因是什么呢？

為了回答這個問題，要知道RBSOA電流限值是如何測試的。

一般規(guī)格書給出的值，都是有相應(yīng)的測試保證的，RBSOA的測試一般使用脈沖測試平臺，并且引入鉗位機(jī)制來限制關(guān)斷電壓。

例如，可以用雙脈沖測試平臺去測試RBSOA，此時關(guān)斷時IGBT的電壓被限制在電源電壓。如果需要鉗位電壓更低，則可以引入其他鉗位電路，例如使用大電解電容，將關(guān)斷電壓鉗位在0.8倍的BVCES。這種測試電路被稱為 鉗位感性負(fù)載測試電路 。

在這種測試平臺下，一般廠家都會對每一顆成品IGBT做極限測試，如果將RBSOA的電流規(guī)定為3倍的額定電流，則在雙脈沖平臺（或者其他鉗位感性負(fù)載測試平臺）按3倍額定電流進(jìn)行IGBT的關(guān)斷，關(guān)斷后器件不損壞，即可認(rèn)為器件通過RBSOA的測試。

實(shí)際情況是，3倍的額定電流一般不會讓器件在這樣的測試平臺中出現(xiàn)損壞，有些廠家甚至能保證器件的RB電流值達(dá)到4倍甚至5倍的額定電流。

三 短路安全工作區(qū)，SCSOA

公眾號的上一篇文章已經(jīng)對IGBT短路的機(jī)理及量化標(biāo)準(zhǔn)做了一些介紹，讀者可以參考上一篇“ IGBT短路，你了解多少？ ”。本文補(bǔ)充一點(diǎn)，就是SCSOA規(guī)定的短路電流要比3倍的額定電流大，IGBT的短路電流量級一般是在10倍的額定電流。同時，短路造成的損壞，也可以包含RBSOA的損壞。例如第二類短路，如果在關(guān)斷時刻外部感性能量使得IGBT的CE電壓沖得很高，一樣也會造成耐壓擊穿失效。

四 雪崩安全工作區(qū)，Avalanche SOA

與RBSOA的測試類似，針對功率半導(dǎo)體器件也會有專門的一套雪崩測試機(jī)制。與RBSOA不同的是，雪崩能力測試會去掉鉗位電路，例如上圖中的二極管去掉，這種測試電路被稱為 非鉗位感性負(fù)載測試電路 ，關(guān)斷階段所有的感性能量都被釋放到了IGBT。

一般而言，很少有半導(dǎo)體廠家會在Datasheet中規(guī)定IGBT的雪崩能力，往往只給出Turn off SOA，這是因?yàn)镮GBT的抗雪崩能力是相對較弱的。

但大部分MOSFET的Datasheet一般都會提供雪崩能量值，同時給出雪崩測試時對應(yīng)的電感感值、關(guān)斷電流值、母線電壓值、驅(qū)動電壓值及IGBT殼溫。關(guān)于雪崩能力，公眾號后期會做一些專題，這里就不再贅述了。

至此，IGBT的四種SOA的講解就已經(jīng)結(jié)束，這里Bro提一個問題：為什么大部分規(guī)格書僅僅給出FBSOA的曲線圖，另外三種SOA區(qū)都是用具體的一個參數(shù)指標(biāo)給出呢？