摘要：本文闡述了各安全工作區的物理概念和超安全工作區工作的失效機理。討論了短路持續時間Tsc和柵壓Vg、集電極—發射極導通電壓Vce(on)及短路電流Isc的關系。

關鍵詞：安全工作區 失效機理  短路電流Tsc

1、  引言

　　半導體功率器件失效的原因多種多樣。換效后進行換效分析也是十分困難和復雜的。其中失效的主要原因之一是超出安全工作區（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—發射極電壓V_ce控制在SOA之內是十分重要的。SOA分為正偏安全工作區（FBSOA）、反偏安全工作區（RBSOA）、開關安全工作區（SSOA）和短路安全工作區（SCSOA）。

2、  各安全工作區的物理概念

　　IGBT的SOA表明其承受高壓大電流的能力，是可靠性的重要標志。

2.1正偏安全工作區（FBSOA）

　　FBSO是處于V_ge>閾值電壓V_th的輸出特性曲線的有源區之內，如圖1所示。圖1中ABCDO所包圍的區域為直流安全工作區。AB段為t_c=80℃限制的最大直流電流I_c。B點對應的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。這說明高電壓強電場狀態更容易出現失效。

　　由圖1可見，隨著脈沖寬度減小SOA擴大。這里要說明的是手冊給的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。而且FBSOA只考慮導通損耗，不包括開關損耗。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損耗的工作狀態。對于一定脈寬和占空比的連續工作，其安全工作區應使用瞬態熱阻曲線的計算來確定。{{分頁}}

2.2反偏安全工作區（RBSOA）

　　RBSOA是表明在箝位電感負載時，在額定電壓下關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。可見NPT型IGBT。在額定電壓下關斷箝位電感電流的能力強于PT型IGBT。因此，PT型IGBT不適用于電感負載電路和馬達驅動等電路，而且短路持續時間TSC較短，一般不給出短路安全工作區。所以，NPT型IGBT的可靠性高于PT型IGBT。

2.3開關安全工作區（SSOA）

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　　開關字全工作區如圖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只考慮關斷時承受高電壓大電感電流的能力。SSOA不僅考慮關斷狀態，同時也考慮開啟瞬間。所以SSOA兼顧FBSOA和RBSOA兩種狀態的考慮。另外，縱坐標的電流，RBSOA是I_im ；而SSOA是最大脈沖電流I_cm。一個是最大箝位電感電流，一個是最大脈沖電流。而且兩者在手冊中給出的數值又是相等的。現在有的公司只給出SSOA，不再給出FBSOA和RBSOA。在IGBT開啟時，往往是V_ce沒有降下來，I_c就達到負載電流Il。在有續流作用時還要達到I_c +I_{r r m}。I_{r r m}為續流二極管的最大反向恢復電流，因此導通過程也存在高壓大電流狀態。

2.4短路安全工作區（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和高垮導的作用出現短路狀態，其短路電流I_SC可高達10倍的額定電流I_C。這和SSOA的開通狀態比較相似，但I_SC>I_cm。在整個短路時間T_sc中，IGBT始終處于導通狀態。在此狀態下IGBT的耗能在四種安全工作區最大，出現失效的幾率也最高。SCSOA如圖4所示。

3、  超SOA的失效機理

　　安全工作區，顧各思義工作在SOA內是安全的，超出將是不安全的，或引起失效。由于四種安全工作區的偏置狀態不同，超出SOA的失效機理也是不同的。FBSOA、SCSOA和SSOA的開啟狀態均為正偏，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）和超結溫tj工作出現的燒毀。

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