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IGBT的安全工作区简介

2025-11-24 09:21:37

    功率器件能在一定的电流-电压围起来的区域内工作而没有发生破坏性失效,这个区域被称为安全工作区(SafeOperatingAreaSOA)。这个区域被器件可以工作的最大集电极-发射极电压VCE和最大集电极-发射极电流ICE所包围的区域。对于大多数功率器件,在较低的偏置电压的最大工作电流密度受到由功率耗散伴随的温度升高的限制。

    在IGBT结构中,在低集电极偏置电压的最大工作电流密度受到寄生晶体管闩锁电流密度的限制。在高集电极偏置电压和小电流下,工作范围则是变成受器件元胞结构内或在芯片边缘终端击穿电压的限制。

所以定义由不同的破坏性机制控制的SOA的三个不同边界:

在小ICCEVCE时,集电极-发射极峰值电压承受能力取决于芯片所采用的终端结构;

在大ICEVCE时,最大的集电极-发射极电流是由IGBT结构中的寄生PNPN晶体管的闩锁电流决定的,这称为电流引起的闩锁。因为在低VCE时,当ICE的值高于与VCE无关的临界值时,就会发生这种情况;

ICEVCE同时升高时,因芯片、封装或二次击穿机制,PNP晶体管整体发生失效。当高的功率耗散持续时间较长时,就会发生这些热现象。对于较短持续时间的电压和电流应力,二次击穿是器件失效的常见现象,即集电区-发射区电场超过临界电场。

下图是IGBT器件在感性负载下开关状态下的电流电压轨迹,这个过程中会存在电流电压同时增大的时候。在IGBT的开通过程中,因为大的的反向恢复电流存在,器件集电极电流会出现过冲现象。在IGBT的关断过程中,因杂散电感的存在,器件集电极电压会出现过冲现象,并且会超过母线电压。

所以基于这两个现象,都会使得IGBT器件受到过应力,并存在出现破坏性失效的风险。值得注意地是,防止器件过热并不能完全避免器件出现破坏性失效。

    为了避免二次击穿,要么增加衬底外延的电阻率,要么降低双极型结构的电流增益。因此基极开路的集成双极型晶体管的SOA变得更大,并且减轻了二次击穿,从而增强了IGBTSOA。对于二次击穿,有两种类型的SOA,即正向偏置的SOAFBSOA)和反向偏置SOARBSOA)。

    FBSOA是当IGBT在感性负载电路中处于开启过冲,FBSOA限制了器件可以工作的电压电流范围。因为器件栅极处于开启状态,所以沟道会向N-漂移区注入电子,同时背部P+集电极会向N-漂移区注入空穴。所以,在饱和ICE的最大集电极-发射极阻断电压就定义了IGBTFBSOA,这个工作模式下,在高电场下穿过IGBTN-漂移区的载流子被加速到饱和漂移速度。

    RBSOA是当具有感性负载的电路中,栅极关断时,IGBT器件电流-电压轨迹的限制。因为在这种工作模式施加关断的栅极偏置,在电压上升期间,在电压上升期间,由流过N沟道IGBT结构的N-漂移区的空穴电流和全部电流。支撑高的工作电压穿过在深PwellN-漂移区之间的PN结形成的空间电荷区。因为此时高电场,空穴以饱和的漂移速度穿过空间电荷区。

    另外的一种SOA是短路安全区,即SCOSA。当IGBT外部负载电路短路时,导致直流母线电压直接加到了IGBT器件两端,而此时器件栅极仍然导通。因此,IGBT在短路情况下,在承受着集电极电源电压同时经受住大电流。在短路持续时间内IGBT结构同时经受大电流和大电压的能力就被称为短路安全工作区SCOSA

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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