第40讲：HVIGBT的安全工作区

讲座概述

本系列讲座旨在分享功率半导体的原理和相关应用知识，已发布的第1-30讲主要介绍了功率半导体的基础知识。从第31讲起为大家介绍HVIGBT的一系列相关知识，以帮助读者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正确应用方法。

HVIGBT的器件安全工作区SOA(Safe Operating Area)是HVIGBT在任何运行过程中都不可超过的范围。

常见的器件安全工作区包括：

• 关断安全工作区(RBSOA: Reverse Bias SOA)

• 二极管反向恢复安全工作区(RRSOA: Reverse Recovery SOA)

• 短路安全工作区(SCSOA: Short Circuit SOA)

1.1.1 短路安全工作区(SCSOA)

SCSOA表明了IGBT在短路工况下的关断能力，其和RBSOA的主要区别如下：

• SCSOA只是针对短路的异常情况下单次关断的能力，而不是周期性开关。对于整个模块的生命周期而言，短路次数不建议超过1000次。

• SCSOA描述的是IGBT在退饱和状态下关断的极限，即在短路关断前，IGBT通过退饱和来限制电流幅值。

图5.2为CM1500HC-66R的短路安全工作区。根据该安全工作区，CM1500HC-66R可以承受以下条件的短路：

• 直流母线电压VCC不得超过给定的最大值(VCC≤ 2500V).

• 门极电压VGE在±15V之间开关

• 结温Tj不得超过给定的最大值 (Tjmax150°C)

• 开通门极电阻不得小于给定值(RG(on)1.6Ω)

• 关断门极电阻不得小于给定值(RG(off)5.6Ω)

• 最大持续短路时间不得超过tw10μs

1.1.2 关断安全工作区(RBSOA)

IGBT关断安全工作区描述了IGBT可靠关断的范围。关断安全工作区关注的是IGBT在关断过程中的集电极电流和VCE电压的最大允许范围。

关断安全工作区由三个边界组成：最大允许关断集电极电流IC(max)；最大允许关断母线电压VCE(max)；考虑器件内部杂散电感影响的降额区域。

图5.3为CM1500HC-66R的关断安全工作区。根据该安全工作区，CM1500HC-66R的关断过程应该符合下列条件：

• 直流母线电压VCC不得超过给定的最大值(VCC≤ 2500V).

• 门极电压VGE在±15V之间开关

• 结温Tj不得超过最大值 (Tjmax150°C)

• 关断门极电阻不得小于给定的最小值(RG(off)5.6Ω)

1.1.3 反向恢复安全工作区(RRSOA)

二极管反向恢复安全工作区的缩写为RRSOA，即Reverse Recovery Safe Operating Area。二极管反向恢复安全工作区描述了二极管反向恢复的电压电流范围。该安全工作区是可以承受重复开关动作的。

二极管反向恢复安全工作区由三个边界组成：最大反向恢复电流Irr(max)；最大反向恢复功率Prr(max)；反向恢复过程中最大电压VEC(max)。

图5.4为CM1500HC-66R的二极管反向恢复安全工作区。根据该安全工作区，CM1500HC-66R的反向恢复过程应该符合下列条件：

• 反向恢复电流Irr不得超过给定的最大值(Irr≤3000A)

• 直流母线电压VCC不得超过给定的最大值(VCC≤2500V)

• 反向恢复过程中的di/dt不得超过给定的最大值(di/dt<9kA/μs)

• 结温Tj不得超过给定的最大值(Tj150°C)

1.1.4 系统安全工作区(SSOA)

变换器的系统安全工作区被定义为：在考虑变换器中各部分因素的影响下，变换器系统可安全运行的最大区域。这一区域由变换器的工作点来表征。基于系统安全工作区，可以在其内部划定变换器的实际运行区(Operating Area, OA)，设计中要求该区域具有简洁的外观，并能直接用于变换器设计、分析和优化。

通过对开关器件在全工况下的电应力分析，提出系统安全工作区的数学描述为：

其中：

diDC(t)/dt：变换器中功率器件通态电流的上升率

dVCE(t+Δt)/dt：关断过程IGBT集射极电压的上升率

CCE：IGBT的集射极电容

CCG：IGBT的集栅极电容

dVDC(t)/dt：直流母线电压的泵升速度

T：系统运行温度

Ilim(T)：IGBT器件能够承受的极限电流，由IGBT的RBSOA决定。

Ulim(T)：IGBT器件能够承受的极限电压，由IGBT的RBSOA决定。

如果考虑换流回路杂散电感和信号延迟对系统安全工作区的影响，系统安全工作区将进一步缩小。

1.1.5 热安全工作区(TSOA)

热安全工作区TSOA，即Thermal Safe Operating Area。热安全工作区是基于对IGBT模块的损耗分析和热分析，划定的变换器系统可安全长期运行的最大区域。

IGBT模块在运行中会产生损耗，会导致IGBT硅片和FWD硅片结温上升。结温上升会导致两种形式的损坏：一种是硅片过热损坏；另一种是功率半导体的热疲劳损坏。

功率半导体厂家都会根据每个功率器件的物理特性，设定一个最大结温(Tjmax)。如果运行结温(Tjop)超过这个最大结温就可能发生过热损坏。

功率半导体的热疲劳损坏是指IGBT模块的各层材料在温度变化时，由于热膨胀系数不同，产生热膨胀梯度不同，进而产生焊层老化开裂的现象。

根据损坏点的不同，热疲劳损坏又可以分成功率循坏寿命损坏和热循环寿命损坏。功率循环寿命损坏的损坏点是硅片和绑定线之间的焊点连接。热循环寿命损坏的损坏点是底板和绝缘层之间的焊接层。

定义：在最恶劣工况下，功率半导体的最大运行结温(Tjop(max))比最大结温(Tjmax)低25℃以上。

其数学表达如式5.4所示：

其中：

Tjop(max)：最恶劣工况下，功率半导体运行结温。

Tjmax：功率半导体最大运行结温，由功率半导体芯片整体工艺及材料决定。

定义：在各种工作模式下，功率半导体的功率循环寿命应满足系统寿命要求。

其数学表达如式5.5所示：

其中：

ΔTj：特定应用条件下的结温变化，受功率半导体硅片技术以及应用条件影响。

Power cycle @ ΔTj：在一定结温变化下的功率循环次数，由功率半导体生产工艺决定。

CP：一个工作日中ΔTj发生的次数，和最终应用的工况有关；

D：一个工作月中的工作日数；

M：一年中的工作月数；

Y：工作年数；

定义：在各种工作模式下，功率半导体的热循环寿命应满足系统寿命要求。

其数学表达如式5.6所示：

其中：

ΔTc：特定应用条件下的壳温变化，受功率半导体封装技术以及散热系统设计影响。

Thermal cycle @ ΔTc：在一定壳温变化下的热循环寿命，由功率半导体工艺及材料决定。

CT：一个工作日中ΔTc发生的次数，和最终应用的工况有关；

D：一个工作月中的工作日数；

M：一年中的工作月数；

Y：工作年数；