從安全工作區(qū)探討IGBT的失效機(jī)理

摘要：本文闡述了各安全工作區(qū)的物理概念和超安全工作區(qū)工作的失效機(jī)理。討論了短路持續(xù)時(shí)間Tsc和柵壓Vg、集電極—發(fā)射極導(dǎo)通電壓Vce(on)及短路電流Isc的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：安全工作區(qū) 失效機(jī)理  短路電流Tsc

1、  引言

　　半導(dǎo)體功率器件失效的原因多種多樣。換效后進(jìn)行換效分析也是十分困難和復(fù)雜的。其中失效的主要原因之一是超出安全工作區(qū)（Safe Operating Area簡稱SOA）使用引起的。因此全面了解SOA，并在使用中將IGBT的最大直流電流I_C和集電極—發(fā)射極電壓V_ce控制在SOA之內(nèi)是十分重要的。SOA分為正偏安全工作區(qū)（FBSOA）、反偏安全工作區(qū)（RBSOA）、開關(guān)安全工作區(qū)（SSOA）和短路安全工作區(qū)（SCSOA）。

2、  各安全工作區(qū)的物理概念

　　IGBT的SOA表明其承受高壓大電流的能力，是可靠性的重要標(biāo)志。

2.1正偏安全工作區(qū)（FBSOA）

　　FBSO是處于V_ge>閾值電壓V_th的輸出特性曲線的有源區(qū)之內(nèi)，如圖1所示。圖1中ABCDO所包圍的區(qū)域?yàn)橹绷靼踩ぷ鲄^(qū)。AB段為t_c=80℃限制的最大直流電流I_c。B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的I_C和V_ce的乘積等于最大耗散功率P_cm。BC段為等功耗線。CD段為二次擊穿限制的安全工作區(qū)的邊界，此段不是等功耗。隨著V_ce的增加功耗下降，V_ce越高功耗越低。這說明高電壓強(qiáng)電場狀態(tài)更容易出現(xiàn)失效。

　　由圖1可見，隨著脈沖寬度減小SOA擴(kuò)大。這里要說明的是手冊(cè)給的FBSOA，除DCSOA之外。一定脈沖寬度下的脈沖SOA，均是單脈沖安全工作區(qū)。而且FBSOA只考慮導(dǎo)通損耗，不包括開關(guān)損耗。所以FBSOA只適用功率放大器的A類、B類及短路工作沒有開關(guān)損耗的工作狀態(tài)。對(duì)于一定脈寬和占空比的連續(xù)工作，其安全工作區(qū)應(yīng)使用瞬態(tài)熱阻曲線的計(jì)算來確定。{{分頁}}

2.2反偏安全工作區(qū)（RBSOA）

　　RBSOA是表明在箝位電感負(fù)載時(shí)，在額定電壓下關(guān)斷最大箝位電感電流Ilm的能力。Ilm一般是最大DC額定電流的兩倍，而額定電壓接近反向擊穿電壓。PT型IGBT和NPT型IGBT的反偏安全工作區(qū)略有不同。PT型IGBT的RBSOA是梯形SOA，NPT型IGBT的RBSO是矩形SOA。如圖2所示?？梢奛PT型IGBT。在額定電壓下關(guān)斷箝位電感電流的能力強(qiáng)于PT型IGBT。因此，PT型IGBT不適用于電感負(fù)載電路和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等電路，而且短路持續(xù)時(shí)間TSC較短，一般不給出短路安全工作區(qū)。所以，NPT型IGBT的可靠性高于PT型IGBT。

2.3開關(guān)安全工作區(qū)（SSOA）

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　　開關(guān)字全工作區(qū)如圖3所示。由圖2和圖3可見，SSOA和RBSOA相似，都是矩形的。所不同的是RBSOA只考慮關(guān)斷時(shí)承受高電壓大電感電流的能力。SSOA不僅考慮關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)也考慮開啟瞬間。所以SSOA兼顧FBSOA和RBSOA兩種狀態(tài)的考慮。另外，縱坐標(biāo)的電流，RBSOA是I_im ；而SSOA是最大脈沖電流I_cm。一個(gè)是最大箝位電感電流，一個(gè)是最大脈沖電流。而且兩者在手冊(cè)中給出的數(shù)值又是相等的?，F(xiàn)在有的公司只給出SSOA，不再給出FBSOA和RBSOA。在IGBT開啟時(shí)，往往是V_ce沒有降下來，I_c就達(dá)到負(fù)載電流Il。在有續(xù)流作用時(shí)還要達(dá)到I_c +I_{r r m}。I_{r r m}為續(xù)流二極管的最大反向恢復(fù)電流，因此導(dǎo)通過程也存在高壓大電流狀態(tài)。

2.4短路安全工作區(qū)（SCSOA）

　　SCSOA是IGBT C—E間處于高壓(額定反向電壓)下，G—E間突然加上過高的柵壓Vg，過高V_g和高垮導(dǎo)的作用出現(xiàn)短路狀態(tài)，其短路電流I_SC可高達(dá)10倍的額定電流I_C。這和SSOA的開通狀態(tài)比較相似，但I(xiàn)_SC>I_cm。在整個(gè)短路時(shí)間T_sc中，IGBT始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。在此狀態(tài)下IGBT的耗能在四種安全工作區(qū)最大，出現(xiàn)失效的幾率也最高。SCSOA如圖4所示。

3、  超SOA的失效機(jī)理

　　安全工作區(qū)，顧各思義工作在SOA內(nèi)是安全的，超出將是不安全的，或引起失效。由于四種安全工作區(qū)的偏置狀態(tài)不同，超出SOA的失效機(jī)理也是不同的。FBSOA、SCSOA和SSOA的開啟狀態(tài)均為正偏，而RBSOA為反偏。眾所周知，IGBT失效的主要原因是寄生SCR的鎖定（Latch-up）和超結(jié)溫tj工作出現(xiàn)的燒毀。

（1）RBSOA的失效：在額定電壓下關(guān)斷箝位電感電流I_lm時(shí)，由于關(guān)斷來自IGBT發(fā)射極的溝道電子電流，寄生PNP管發(fā)射極注入到高阻漂移區(qū)（PNP管的是基區(qū)）的少子空穴一部經(jīng)過PNP管的基區(qū)從IGBT的發(fā)射極流出。當(dāng)該空穴電流I_h在NPN管的基區(qū)電阻R _b上壓降I_h