最近和一些EE工程師聊到IGBT的技術問題，聊的過程中發(fā)現(xiàn)，他們最感興趣的問題大多是關于功率器件極限能力的評估方法，因為這些問題直接關系到了系統(tǒng)的可靠性。

既然廠商在Datasheet中給出了安全工作區(qū)（Safe Operating Aera，SOA）的曲線，白紙黑字地指明了操作功率器件的安全參數(shù)極限，如果沒有一個具體的定義方法的說明，相信大多數(shù)應用人員都會對規(guī)格書中的SOA區(qū)有一種“猶抱琵琶半遮面”的感覺。

今天，我們就這個大家最關心的幾種SOA，和大家分享一下各種SOA的定義方法和物理意義，下文掃盲開始。

一般來說，IGBT的SOA主要分為四種： 正偏安全工作區(qū) （Forward Bias SOA）， 反偏安全工作區(qū) （Reverse Bias SOA）， 短路安全工作區(qū) （Short Circuit SOA）， 雪崩安全工作區(qū) （Avalanche SOA）。與上一篇一樣，我們只考慮IGBT的性能，不考慮與IGBT并聯(lián)或者寄生的二極管的性能。

一 正偏安全工作區(qū)，F(xiàn)BSOA

IGBT的FBSOA是指IGBT的柵極電壓Vge處于正向偏置（Vge>Vgeth）,集射極溝道處于導通狀態(tài)時的安全工作區(qū)。

一般的IGBT規(guī)格書都會給出FBSOA曲線，以英飛凌IKW40N65H5這顆器件為例，它的Datasheet的第一張圖就給出了器件的FBSOA，如下圖。

那么，如何解讀這張FBSOA圖呢？

當我們觀察一顆IGBT產(chǎn)品Datasheet的FBSOA時，單獨地看這張曲線是沒有多大意義的，因為FBSOA是IGBT各種工作狀態(tài)的集合，必須結合IGBT的其他特性去理解全貌。

可以看到，上面這張FBSOA圖規(guī)定了四條電壓-電流關系的邊界線，那這四個邊界是如何得到的呢？

邊界1：

針對邊界1，我們需要結合IGBT的輸出特性曲線去看。

我們將輸出特性曲線用藍色實線示意到FBSOA圖中，紅色虛線是飽和區(qū)和線性放大區(qū)的分界線。那么在紅色虛線左邊，IGBT工作在飽和區(qū)，紅色虛線右邊，IGBT工作在線性放大區(qū)。

因此，邊界1規(guī)定了處于飽和態(tài)的IGBT的最大工作電流，這個邊界由IGBT的輸出特性的極限（或稱飽和區(qū)的極限I-V曲線）決定。

邊界2：

邊界2一般由Icpulse定義。所謂ICpulse，是指最大可重復電流，有些地方叫做ICSM，一般是3倍的額定電流。至于為什么要這樣定義倍數(shù)，器件設計人員給我的答案是約定俗成，我的個人理解是從結溫以及鍵合線的高溫疲勞強度兩個方面的考慮，不知道是否正確，希望懂的人給我私信，有機會在單獨探討這個問題。

邊界3

邊界3這條線就需要結合IGBT的熱阻來看了。首先我們看到，SOA曲線的橫縱坐標都是對數(shù)坐標，在對數(shù)坐標下的直線上的點，其橫縱坐標的乘積為常數(shù)。可以從如下公式得出：

因此，邊界3的這一簇直線，分別代表不同的功率值。那么這些功率值是如何得到的呢？

在我以前的公眾號中有介紹，IGBT的額定電流值實際上是根據(jù)熱阻及結溫去定義的。其實，這個SOA曲線中的功率值也是根據(jù)熱阻和最大結溫去定義的。

當規(guī)定殼溫（Case溫度，Tc）為25，并且允許的最大芯片結溫Tjmax為150時，從結到殼的溫差就規(guī)定了，根據(jù)熱阻公式，如果已知此時的熱阻，則可以計算出最大允許的功率。

然而，更多工況下，在正偏工作狀態(tài)施加給IGBT的電壓電流是脈沖量，因此需要知道功率脈寬。同時熱阻也不再是穩(wěn)態(tài)熱阻，而是 瞬態(tài)熱阻 。

瞬態(tài)熱阻曲線也由規(guī)格書提供，如下圖。

在邊界3的IGBT的功率脈沖和結溫圖可以用下圖描述。

邊界4

邊界4最容易理解，它規(guī)定了器件的耐壓，一般取擊穿電壓值BVCES（或稱Vbrces）作為邊界4。需要注意的是，IGBT的耐壓是和溫度相關的，溫度越高，相對耐壓越高，對于電壓應力比較臨界的場合，一定要考核系統(tǒng)的高低溫極限電壓應力情況。

二 反偏安全工作區(qū)，RBSOA

RBSOA是指IGBT的關斷過程中CE在承受反向偏置電壓時能夠安全工作的區(qū)域，它規(guī)定了IGBT關斷時的動態(tài)軌跡（I-V曲線）允許劃過的范圍。

IGBT關斷時，由于線路的寄生電感的存在，芯片的CE電壓往往會被感性能量沖高，因此RBSOA會規(guī)定最大的反偏電壓，為器件的極限耐壓。如果IGBT封裝在模塊中，Bonding線也會產(chǎn)生壓降，因此IGBT模組往往會同時給出IGBT芯片和模組的兩個RBSOA耐壓邊界，如下圖。

另一方面，RBSOA的極限電流是如何定義的呢？如果大家看得規(guī)格書比較多，就會發(fā)現(xiàn)大部分Datasheet都會給出Turn off Safe Operation Aera，這個電流值即為RBSOA的極限電流。

仔細觀察都會發(fā)現(xiàn)，這個RBSOA的電流值，和ICpulse的值相等，都是3倍的額定電流。原因是什么呢？

為了回答這個問題，要知道RBSOA電流限值是如何測試的。

一般規(guī)格書給出的值，都是有相應的測試保證的，RBSOA的測試一般使用脈沖測試平臺，并且引入鉗位機制來限制關斷電壓。

例如，可以用雙脈沖測試平臺去測試RBSOA，此時關斷時IGBT的電壓被限制在電源電壓。如果需要鉗位電壓更低，則可以引入其他鉗位電路，例如使用大電解電容，將關斷電壓鉗位在0.8倍的BVCES。這種測試電路被稱為 鉗位感性負載測試電路 。

在這種測試平臺下，一般廠家都會對每一顆成品IGBT做極限測試，如果將RBSOA的電流規(guī)定為3倍的額定電流，則在雙脈沖平臺（或者其他鉗位感性負載測試平臺）按3倍額定電流進行IGBT的關斷，關斷后器件不損壞，即可認為器件通過RBSOA的測試。

實際情況是，3倍的額定電流一般不會讓器件在這樣的測試平臺中出現(xiàn)損壞，有些廠家甚至能保證器件的RB電流值達到4倍甚至5倍的額定電流。

三 短路安全工作區(qū)，SCSOA

公眾號的上一篇文章已經(jīng)對IGBT短路的機理及量化標準做了一些介紹，讀者可以參考上一篇“ IGBT短路，你了解多少？ ”。本文補充一點，就是SCSOA規(guī)定的短路電流要比3倍的額定電流大，IGBT的短路電流量級一般是在10倍的額定電流。同時，短路造成的損壞，也可以包含RBSOA的損壞。例如第二類短路，如果在關斷時刻外部感性能量使得IGBT的CE電壓沖得很高，一樣也會造成耐壓擊穿失效。

四 雪崩安全工作區(qū)，Avalanche SOA

與RBSOA的測試類似，針對功率半導體器件也會有專門的一套雪崩測試機制。與RBSOA不同的是，雪崩能力測試會去掉鉗位電路，例如上圖中的二極管去掉，這種測試電路被稱為 非鉗位感性負載測試電路 ，關斷階段所有的感性能量都被釋放到了IGBT。

一般而言，很少有半導體廠家會在Datasheet中規(guī)定IGBT的雪崩能力，往往只給出Turn off SOA，這是因為IGBT的抗雪崩能力是相對較弱的。

但大部分MOSFET的Datasheet一般都會提供雪崩能量值，同時給出雪崩測試時對應的電感感值、關斷電流值、母線電壓值、驅(qū)動電壓值及IGBT殼溫。關于雪崩能力，公眾號后期會做一些專題，這里就不再贅述了。

至此，IGBT的四種SOA的講解就已經(jīng)結束，這里Bro提一個問題：為什么大部分規(guī)格書僅僅給出FBSOA的曲線圖，另外三種SOA區(qū)都是用具體的一個參數(shù)指標給出呢？