【精品】从安全工作区探讨IGBT的失效机理.doc

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1、从安全工作区探讨IGBT的失效机理2010-02-2210:46:18作者：赵忠礼来源：电子元器件网关键字：安全丁•作区失效机理短•路电流Tsc1、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•分困难和复杂的。其屮失效的主要原因是超出安全T作区（SafeOperatingArea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SOAZ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）

2、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＞阈值电压如的输出特性Illi线的有源区Z内，如图1所示。图1屮ABCDO所包围的区域为直流安全工作区。AB段为tc=80°C限制的最大育流电流6B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

3、。SAFEOPERATINGAREA3510306010030050010003000图1正偏安全工作区（FBSOA）由图1可见，随奢脉冲宽度减小SOA扩大。这里要说明的是手册给的FBSOA,除DCSOAZ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T•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懈态热阻曲线的计算来确定。｛｛分页｝｝2.2反偏安全工作区(RBSOA)RBSOA是表明在箝位

4、电感负载时，在额定电压下关断最大箝位电感电流Ilm的能力。Ilm—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SOAo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PT型IGBTo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TSC较短，一般不给岀短路安全工作区。所以，NPT型IGBT的可靠性高于PT型IGBToREVERSEBIA

5、SSOAu-Hz328*05300图2反偏安全工作区(RBSOA)2.3开关安全工作区(SSOA)9XNJHMnonolomoo3开关安全工区（SSOA）{{分页}}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I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是咯；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

6、在手册屮给出的数值又是相等的。现在有的公司只给出SSOA,不再给出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II。在有续流作用时还要达到Ic+IrrmoIrrm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。2.4短路安全工作区（SCSOA）SCSOA是IGBTC-E间处于高压（额定反向电压）下，G-E间突然加上过高的栅压Vg,过高Vg和高垮导的作用出现短路状态，一其短路电流Isc可高达10倍的额定电流Ic。这和SSOA的开通状态比较相似，但Isc>Icmo在整个短

7、路时MTsc屮，IGBT始终处于导通状态。在此状态下IGBT的耗能在四种安全工作区最大，出现失效的几率也最高。SCSOA如图4所示。SHORTCIRCUITSOA图4短路安全工作区(SCSOA)3、超SOA的失效机理安全工作区，顾各思义工作在SOA内是安全的，超出将是不安全的，或引起失效。由于四种安全丁•作区的偏置状态不同，超出SOA的失效机理也是不同的。FBSOA、SCSOA和SSOA的开启状态均为正偏，而RBSOA为反偏。众所周知，IGBT失效的主要原因是寄生SCR的锁定(Latch・up)和超结温tj工作出现的烧毁。(

8、1)RBSOA的失效：在额定电压下关断箝位电感电流Ilm时，由于关断来IGBT发射极的沟道电了电流，寄生PNP管发射极注入到高阻漂移区(PNP管的是基区)的少了空穴一部经过PNP管的基区从IGBT的发射极流出。当该空穴电流Ih在NPN管的基区电阻Rb上压降Ih-R>0.7V时，NPN管导通