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从安全工作区探讨IGBT的失效机理

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作者:赵忠礼时间:2008-01-11来源:电子元器件网

摘要:本文阐述了各的物理概念和超工作的。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。

关键词:  

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(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>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。AB段为tc=80℃限制的最大直流电流Ic。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。

  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。{{分页}}

2.2反偏安全工作区(RBSOA)

  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Ilm的能力。Ilm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PT型IGBT。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)

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  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。

2.4短路安全工作区(SCSOA)

  SCSOA是IGBT C—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,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>Icm。在整个短路时间Tsc中,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。

3、  超SOA的

  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。由于四种安全工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。

(1)RBSOA的失效:在额定电压下关断箝位电感电流Ilm时,由于关断来自IGBT发射极的沟道电子电流,寄生PNP管发射极注入到高阻漂移区(PNP管的是基区)的少子空穴一部经过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R b上压降Ih


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