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从安全工作区探讨IGBT的失效机理
资料介绍
摘要：本文阐述了各安全工作区的物理概念和超安全工作区工作的失效机理。讨论了短路持续时间Tsc和栅压Vg、集电极一发射极导通电压 Vce（on）及短路电流Isc的关系。
1、引言
半导体功率器件失效的原因多种多样。换效后进行换效分析也是十分困难和复杂的。其中失效的主要原因之一是超出安全工作区（Safe Operating Area 简称SOA使用引起的。
因此全面了解 SOA并在使用中将 IGBT的最大直流电流 IC和集电极一发射极电压Vce控制在SOA之内是十分重要的。SOA分为正偏安全工作区（FBSOA、反偏安全工作区（RBSOA开关安全工作区（SSOA和短路安全工作区（SCSOA。
2、各安全工作区的物理概念
IGBT的SOA表明其承受高压大电流的能力，是可靠性的重要标志。
2.1正偏安全工作区（FBSOA FBSO是处于Vge>阔值电压Vth的输出特性曲线的有源区之内，如图1所示。图1中ABCDO所包围的区域为直流安全工作区。AB段为tc=80℃限制的最大直流电流 1c.B点对应的IC和Vce的乘积等于最大耗散功率 Pcm BC段为等功耗线。CD段为二次击穿限制的安全工作区的边界，此段不是等功耗。随着 Vce的增加功耗下降，Vce越高功耗越低。这说明高电压强电场状态更容易出现失效。
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摘要：本文阐述了各安全工作区的物理概念和超安全工作区工作的失效机理。
讨论了短
路持续时间 Tsc 和栅压 Vg、集电极—发射极导通电压
Vce(on) 及短路电流 Isc 的关系。
1、 引言
半导体功率器件失效的原因多种多样。 换效后进行换效分析也是十分困难和复杂的。 其
中失效的主要原因之一是超出安全工作区（ Safe Operating Area 简称 SOA）使用引起的。
因此全面了解 SOA，并在使用中将 IGBT 的最大直流电流 IC 和集电极—发射极电压 Vce 控制
在 SOA之内是十分重要的。 SOA分为正偏安全工作区 （FBSOA）、反偏安全工作区（ RBSO）A 、
开关安全工作区（ SSOA）和短路安全工作区（ SCSO）A 。
2、 各安全工作区的物理概念
IGBT的 SOA表明其承受高压大电流的能力，是可靠性的重要标志。
2.1 正偏安全工作区（ FBSOA）
FBSO是处于 Vge>阈值电压 Vth 的输出特性曲线的有源区之内， 如图 1所示。图 1 中 ABCDO
所包围的区域为直流安全工作区。
和 Vce 的乘积等于最大耗散功率
区的边界，此段不是等功耗。随着
强电场状态更容易出现失效。
AB段为 tc=80 ℃限制的最大直流电流
Ic 。B 点对应的 IC
Pcm。BC段为等功耗线。 CD段为二次击穿限制的安全工作
Vce 的增加功耗下降， Vce 越高功耗越低。这说明高电压
由图 1 可见，随着脉冲宽度减小
SOA扩大。这里要说明的是手册给的
FBSOA，除 DCSOA
之外。一定脉冲宽度下的脉冲 SOA，均是单脉冲安全工作区。而且
FBSOA只考虑导通损耗，
不包括开关损耗。所以 FBSOA只适用功率放大器的 A类、B 类及短路工作没有开关损耗的工
作状态。对于一定脉宽和占空比的连续工作， 其安全工作区应使用瞬态热阻曲线的计算来确
定。
2.2 反偏安全工作区（ RBSO）A
RBSOA是表明在箝位电感负载时， 在额定电压下关断最大箝位电感电流
一般是最大 DC额定电流的两倍，而额定电压接近反向击穿电压。 PT型 IGBT和 NPT型 IGBT
的反偏安全工作区略有不同。 PT型 IGBT 的 RBSOA是梯形 SOA，NPT型 IGBT 的 RBSO是矩形
Ilm 的能力。Ilm
SOA。如图 2 所示。可见 NPT型 IGBT。在额定电压下关断箝位电感电流的能力强于
因此， PT型 IGBT 不适用于电感负载电路和马达驱动等电路，而且短路持续时间
PT型 IGBT。
TSC较短，
一般不给出短路安全工作区。所以，
NPT型 IGBT 的可靠性高于 PT型 IGBT。
2.3 开关安全工作区（ SSOA）
开关字全工作区如图 3 所示。由图 2 和图 3 可见， SSOA和 RBSOA相似，都是矩形的。
所不同的是 RBSOA只考虑关断时承受高电压大电感电流的能力。 SSOA不仅考虑关断状态，
同时也考虑开启瞬间。所以 SSOA兼顾 FBSOA和 RBSOA两种状态的考虑。另外，纵坐标的电
流，RBSOA是 Iim ；而 SSOA是最大脉冲电流 Icm。一个是最大箝位电感电流，一个是最大
脉冲电流。而且两者在手册中给出的数值又是相等的。现在有的公司只给出
出 FBSOA和 RBSOA。在 IGBT 开启时，往往是 Vce 没有降下来， Ic 就达到负载电流 Il 。在有
续流作用时还要达到 Ic +Ir r m 。Ir r m 为续流二极管的最大反向恢复电流，因此导通过
程也存在高压大电流状态。
SSOA，不再给
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