如何理解IGBT的四种安全工作区（SOA）？

最近和一些EE工程师聊到IGBT的技术问题，聊的过程中发现，他们最感兴趣的问题大多是关于功率器件极限能力的评估方法，因为这些问题直接关系到了系统的可靠性。

既然厂商在Datasheet中给出了安全工作区（Safe Operating Aera，SOA）的曲线，白纸黑字地指明了操作功率器件的安全参数极限，如果没有一个具体的定义方法的说明，相信大多数应用人员都会对规格书中的SOA区有一种“犹抱琵琶半遮面”的感觉。

今天，我们就这个大家最关心的几种SOA，和大家分享一下各种SOA的定义方法和物理意义，下文扫盲开始。

一般来说，IGBT的SOA主要分为四种： 正偏安全工作区 （Forward Bias SOA）， 反偏安全工作区 （Reverse Bias SOA）， 短路安全工作区 （Short Circuit SOA）， 雪崩安全工作区 （Avalanche SOA）。与上一篇一样，我们只考虑IGBT的性能，不考虑与IGBT并联或者寄生的二极管的性能。

一 正偏安全工作区，FBSOA

IGBT的FBSOA是指IGBT的栅极电压Vge处于正向偏置（Vge>Vgeth）,集射极沟道处于导通状态时的安全工作区。

一般的IGBT规格书都会给出FBSOA曲线，以英飞凌IKW40N65H5这颗器件为例，它的Datasheet的第一张图就给出了器件的FBSOA，如下图。

那么，如何解读这张FBSOA图呢？

当我们观察一颗IGBT产品Datasheet的FBSOA时，单独地看这张曲线是没有多大意义的，因为FBSOA是IGBT各种工作状态的集合，必须结合IGBT的其他特性去理解全貌。

可以看到，上面这张FBSOA图规定了四条电压-电流关系的边界线，那这四个边界是如何得到的呢？

边界1：

针对边界1，我们需要结合IGBT的输出特性曲线去看。

我们将输出特性曲线用蓝色实线示意到FBSOA图中，红色虚线是饱和区和线性放大区的分界线。那么在红色虚线左边，IGBT工作在饱和区，红色虚线右边，IGBT工作在线性放大区。

因此，边界1规定了处于饱和态的IGBT的最大工作电流，这个边界由IGBT的输出特性的极限（或称饱和区的极限I-V曲线）决定。

边界2：

边界2一般由Icpulse定义。所谓ICpulse，是指最大可重复电流，有些地方叫做ICSM，一般是3倍的额定电流。至于为什么要这样定义倍数，器件设计人员给我的答案是约定俗成，我的个人理解是从结温以及键合线的高温疲劳强度两个方面的考虑，不知道是否正确，希望懂的人给我私信，有机会在单独探讨这个问题。

边界3

边界3这条线就需要结合IGBT的热阻来看了。首先我们看到，SOA曲线的横纵坐标都是对数坐标，在对数坐标下的直线上的点，其横纵坐标的乘积为常数。可以从如下公式得出：

因此，边界3的这一簇直线，分别代表不同的功率值。那么这些功率值是如何得到的呢？

在我以前的公众号中有介绍，IGBT的额定电流值实际上是根据热阻及结温去定义的。其实，这个SOA曲线中的功率值也是根据热阻和最大结温去定义的。

当规定壳温（Case温度，Tc）为25，并且允许的最大芯片结温Tjmax为150时，从结到壳的温差就规定了，根据热阻公式，如果已知此时的热阻，则可以计算出最大允许的功率。

然而，更多工况下，在正偏工作状态施加给IGBT的电压电流是脉冲量，因此需要知道功率脉宽。同时热阻也不再是稳态热阻，而是 瞬态热阻 。

瞬态热阻曲线也由规格书提供，如下图。

在边界3的IGBT的功率脉冲和结温图可以用下图描述。

边界4

边界4最容易理解，它规定了器件的耐压，一般取击穿电压值BVCES（或称Vbrces）作为边界4。需要注意的是，IGBT的耐压是和温度相关的，温度越高，相对耐压越高，对于电压应力比较临界的场合，一定要考核系统的高低温极限电压应力情况。

二 反偏安全工作区，RBSOA

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。

IGBT关断时，由于线路的寄生电感的存在，芯片的CE电压往往会被感性能量冲高，因此RBSOA会规定最大的反偏电压，为器件的极限耐压。如果IGBT封装在模块中，Bonding线也会产生压降，因此IGBT模组往往会同时给出IGBT芯片和模组的两个RBSOA耐压边界，如下图。

另一方面，RBSOA的极限电流是如何定义的呢？如果大家看得规格书比较多，就会发现大部分Datasheet都会给出Turn off Safe Operation Aera，这个电流值即为RBSOA的极限电流。

仔细观察都会发现，这个RBSOA的电流值，和ICpulse的值相等，都是3倍的额定电流。原因是什么呢？

为了回答这个问题，要知道RBSOA电流限值是如何测试的。

一般规格书给出的值，都是有相应的测试保证的，RBSOA的测试一般使用脉冲测试平台，并且引入钳位机制来限制关断电压。

例如，可以用双脉冲测试平台去测试RBSOA，此时关断时IGBT的电压被限制在电源电压。如果需要钳位电压更低，则可以引入其他钳位电路，例如使用大电解电容，将关断电压钳位在0.8倍的BVCES。这种测试电路被称为 钳位感性负载测试电路 。

在这种测试平台下，一般厂家都会对每一颗成品IGBT做极限测试，如果将RBSOA的电流规定为3倍的额定电流，则在双脉冲平台（或者其他钳位感性负载测试平台）按3倍额定电流进行IGBT的关断，关断后器件不损坏，即可认为器件通过RBSOA的测试。

实际情况是，3倍的额定电流一般不会让器件在这样的测试平台中出现损坏，有些厂家甚至能保证器件的RB电流值达到4倍甚至5倍的额定电流。

三 短路安全工作区，SCSOA

公众号的上一篇文章已经对IGBT短路的机理及量化标准做了一些介绍，读者可以参考上一篇“ IGBT短路，你了解多少？ ”。本文补充一点，就是SCSOA规定的短路电流要比3倍的额定电流大，IGBT的短路电流量级一般是在10倍的额定电流。同时，短路造成的损坏，也可以包含RBSOA的损坏。例如第二类短路，如果在关断时刻外部感性能量使得IGBT的CE电压冲得很高，一样也会造成耐压击穿失效。

四 雪崩安全工作区，Avalanche SOA

与RBSOA的测试类似，针对功率半导体器件也会有专门的一套雪崩测试机制。与RBSOA不同的是，雪崩能力测试会去掉钳位电路，例如上图中的二极管去掉，这种测试电路被称为 非钳位感性负载测试电路 ，关断阶段所有的感性能量都被释放到了IGBT。

一般而言，很少有半导体厂家会在Datasheet中规定IGBT的雪崩能力，往往只给出Turn off SOA，这是因为IGBT的抗雪崩能力是相对较弱的。

但大部分MOSFET的Datasheet一般都会提供雪崩能量值，同时给出雪崩测试时对应的电感感值、关断电流值、母线电压值、驱动电压值及IGBT壳温。关于雪崩能力，公众号后期会做一些专题，这里就不再赘述了。

至此，IGBT的四种SOA的讲解就已经结束，这里Bro提一个问题：为什么大部分规格书仅仅给出FBSOA的曲线图，另外三种SOA区都是用具体的一个参数指标给出呢？