IGBT的三种安全工作区(FBSOA/RBSOA/SCSOA)
igbt安全工作区(soa)知多少
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……
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
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。
图3
fbsoa简化曲线
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。
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。
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。
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。
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。
图7.fp50r12n2t7的scsoa数据
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%。
图9.igbt7短路波形以及短路时间降额比例与vge，vcc，tvj的关系
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。
英飞凌新品 | 带交钥匙电机驱动软件的吊扇电机的多功能入门套件
新品
带交钥匙电机驱动软件的
吊扇电机的多功能入门套件
以imd112t imotion driver, imotion智能驱动器——带功率器件驱动的电机控制器为核心的吊扇方案，功率器件：pfc采用8a 650v trenchstop5 h5 igbt ，逆变器采用3a 600v逆导型igbt。
产品规格：ref-sha35wrc2sys
相关器件：ika08n65h5，ikn03n60rc2，irs44273l和imd112t
ref-sha35wrc2sys是一个多功能的入门套件，包括一块主板和一块带irda传感器的子卡以及一个匹配的遥控盒。
主板包括imd112t imotion driver, imotion智能驱动器——带功率器件驱动的电机控制器，该电机控制器利用经过现场验证的mce(电机控制引擎)提供交钥匙的pfc和电机控制器，从而解决了吊扇电机控制算法开发过程中的软件编码。此外，还包括pfc电路，igbt为8a 650v trenchstop5 h5 igbt ika08n65h5，栅极驱动器为irs44273l;逆变器采用imotion driver直接驱动3a 600v逆导型igbt ikn03n60rc2。
直径为90毫米的单层印刷电路板设计，成本低，可随时复制，为普通吊扇设计提供参考。
产品特点
输入电压范围120~300vrms
最大输入功率35w
pfc系数≥0.9和ithd≤10% @ 230vrms
板载pfc级(高达60khz)
符合iec61000-4-5 4kv浪涌标准
符合en55032 b类emi标准
板载过流保护和辅助电源
应用价值
可复制的紧凑和高性价比的单层pcb设计
易于评估整个系统，包括红外线遥控
现成的电机控制算法(包括pfc)适用于高效永磁同步电机(pmsm)
市场优势
吊扇市场是分散的，而且成本敏感
设计是根据印度市场的标准法规进行测试
适用于研发知识有限的设计团队
该设计是交钥匙工程，不需要电机控制算法，是快速上市关键
该设计采用具有成本效益的单层pcb设计
应用领域
电机控制和驱动
吊扇——电机控制和驱动解决方案
家用电器
电路框图
相关产品
imd112t imotion驱动器，集成了电机和pfc控制以及600v三相栅极驱动器，采用lqfp-40封装
ikn03n60rc2 600v, 3a逆导型igbt，采用sot-223 igbt最小封装
ika08n65h5 650v, 8a igbt，带反并联二极管，采用to-220封装
irs44273l 25v 单一低侧栅极驱动器ic，单输入，采用sot-23封装
为什么电源IC会损坏原因有哪些
太阳能不间断式供电设备的设计与制作
三星Galaxy A70e渲染图曝光 采用水滴屏设计并在顶部保留3.5毫米音频插孔
iPad都用上了Type-C 为什么iPhone却不用
回流焊设备在SMT生产线有何作用？
IGBT的三种安全工作区(FBSOA/RBSOA/SCSOA)
如何在iPhone上分享您的驾驶预计到达时间
惠普打印机常见故障排除经验
openDACS第一批开源EDA核心贡献者名单、openDACS V2.0版本在CCF Chip2022正式发布
关于NGC中心的详细使用说明
车联网分簇方法与簇内中继选择方法
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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
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。
图3
fbsoa简化曲线
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。
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。
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。
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。
图6.模块内部杂散电感示意图
3 scsoa – 短路安全工作区
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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。
图7.fp50r12n2t7的scsoa数据
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%。
图9.igbt7短路波形以及短路时间降额比例与vge，vcc，tvj的关系
图10.fp50r12n2t7输出特性曲线
4结 论
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产品规格：ref-sha35wrc2sys
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