IGBT规格书详解——RBSOA曲线的意义

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IGBT规格书详解，规格书中RBSOA曲线的意义，和对实际应用的作用

基本介绍

RBSOA（Reverse Bias Safe Operating Area）是定义IGBT反向关断安全工作区的。定义IGBT在操作过程中，运行范围不能超过该曲线范围，一般指额定耐压和可重复最大电流（2*Ic），同时限定操作结温。一般的IGBT规格书中会给出定义，比如下面图1为英飞凌FF1400R12IP4模块的规格书中定义的RBSOA曲线。 图中可以看出，定义了模块和芯片两条曲线，这是因为芯片内部的杂散电感造成芯片端的实际电压一般要高于模块端的电压。这一点，在英飞凌AN2001-5中有很好的解释如下图 。由于芯片内部有一定的集成电感，而寄生电感会在电压变化的时候产生电压差。需要注意的是模块曲线的测试条件是在规定门极电阻的条件下。也就是说在应用过程中，门极电阻如果不同于规格书推荐值，那么是不能直接参考这个曲线的。最好的办法是根据模块规格书中给出的寄生电感的值和测试的di/dt来实际计算芯片两端的电压。
一般的通过双脉冲测试来评估IGBT的开关过程。双脉冲可以测量得到电流、电压数据。将时基的电压电流曲线转换成电压电流对应曲线便可以合成如图所示的是某1700V耐压模块双脉冲测试的RBSOA曲线。

那么对于电流大于两倍额定电流或者在短路情况下我们该如何去看待RBSOA在实际应用中的的作用呢？这里我们需要谈一谈SCSOA（Short Circuit Safe Operating Area）对短路安全工作区的定义。一般的规格书中很少会给出，它是一个非周期性的操作区域，两次发生的时间间隔需要大于一定的时间，比如1s。由于芯片的短路能力跟导电沟道的宽度相关，不同类型芯片的短路电流大小不一样，一般是4倍到10倍左右的额定电流。另外相对于RBSOA，SCSOA需要结温低于150℃，甚至是低于125℃。如下图所示。

其实，短路安全工作区相对于正常的反偏关断工况要苛刻的多，因为在短路情况下，IGBT两端电压升高，IGBT会工作在退保和区，损耗急剧升高，暂态结温也会升高很多。如下图所示，为对FF90012IE4的热应力仿真，横轴为时间（s）,纵轴为结温（℃）。左侧为短路5us过程，右侧为两倍额定电流关断过程。

从上面两图中可以看出：

1、短路关断过程瞬态结温会达到甚至超过175℃，从温升的角度考虑需要避免集中发生；

2、两倍额定电流关断对芯片暂态结温拉升较小。可以重复高频发生，主要考虑稳态温升；

3，RBSOA范围内的关断不会有剧烈的暂态热应力冲击。在合理的设计情况下，芯片可以用于高于额定电流至两倍额定电流的应用。

从上面的仿真也可以看出，在RBSOA区域之外高于两倍额定电流的时候，从热应力的角度来过看，芯片应该是不会有问题的，更为苛刻的是电压的问题。由于电流增加会导致关断过程di/dt增加，因此芯片两端更加容易超过额定耐压而导致超出RBSOA失效。另外，如果在RBSOA范围内接近两倍额定电流关断发生过于频繁会有什么影响呢？下面在仿真中将这一发生频率提高到1kHz，可以看出，芯片结温会升高很多，接近170℃。其实，这就回到了通常的热应力设计的考量范围了。

另外一点，前面的图中可以看出，短路瞬间的温升是会很高的，几个us的时间就能上升几十K。这么高的温升对模块是一个较大的考验。之前的文章里介绍过两个模块，所采用的技术，一个是丹佛斯DCM1000产品DBB技术的正面烧结铜箔工艺，另外一个是联电PM4EVO采用的正面铜焊。两款产品都对短路能力有一定的改善，这主要是由于芯片正面焊接或者烧结了铜箔具有比较好的抗热冲击的能力，可以使得瞬时温升降低很多，即使在比较高的结温的时候，短路瞬间的温升可以控制的比较低。其中丹佛斯DCM产品的推荐结温就是达到了165℃，可见还是有比较好的抗短路能力的以及较低的短路瞬态温升。




总结

总的来讲，RBSOA工作区是一个稳定可靠的反向偏置时的工作范围。是结合热应力和电压应力的综合范围。IGBT虽然定义了额定电流，是在稳态直流电流的条件下定义的。对于工作电流大于额定电流的设计，只要系统工作在RBSOA范围内，同时电气、热应力没有超出边界。都是稳定可靠的。SCSOA在定义时对芯片结温有要求，是因为短路过程中，芯片暂态结温会升高很多。因此，在系统设计考虑模块的短路工况时，一个是要考虑对过压的保护，另外一个是考虑芯片的暂态温升（短路时间）。一般短路保护时，过高的di/dt会导致芯片两端电压过高，需要采用各种软关断技术进行保护。但是这些关断过程会增加损耗，进一步加剧芯片的温升，也是不好伺候。

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