不同殼溫下SOA曲線的計算方法

作者:英飛凌工業半導體  邱玉強

安全工作區(SOA)定義為IGBT可以預期在沒有自損壞或退化的情況下工作的電流和電壓條件,分為正向偏置和反向偏置安全工作區(FBSOA和RBSOA)。正向偏置安全工作區(FBSOA)定義了IGBT開啟期間的可用電流和電壓條件。反向偏置安全工作區(RBSOA)定義了IGBT關斷期間的可用電流和電壓條件。在實踐中,SOA曲線是工程師的重要參考之一。工程師必須考慮到所有的極限工況,同時保證器件的工作時的參數都在SOA之內。不僅需要在安全工作區域內使用IGBT,而且還需要控制器件的工作溫度。

下圖是英飛凌明星產品IKW30N60H3的FBSOA曲線:

 

其中SOA右邊框為IGBT耐壓限制(藍色),上邊框是最大安全關斷電流限制(紅色):



根據產品規格書最大參數一欄,右邊框對應耐壓600V,上邊框對應最大安全關斷電流120A:




注意曲線下方紅圈內標註的測試條件: D=0,Tc=25℃,Tj<=175℃,VGE=15v,表明驅動電壓15V,單脈衝條件下,器件殼溫25℃同時時最高結溫限制在175℃以內。這是一個非常常見的測試條件,但是很多工程師會針對Tc=25℃的設定疑惑不解。因為大部分工作條件下,器件殼溫不可能保持在25℃,那麼不同殼溫下,如果得到我們需要的SOA曲線?下面介紹一種計算方法供大家參考。

 

我們把IGBT殼溫設定在100℃,這是實際應用中很常見的殼溫,其他參考條件不變,針對10us單脈衝這條曲線我們展開計算。

 

首先我們在瞬態熱阻表中找到10us脈寬單脈衝對應的瞬態熱阻:Zth=0.0125K/W



殼溫100℃下對應Tj=175℃下溫升:

 

∆T=175℃-100℃=75℃

計算對應損耗:



我們可以根據SOA曲線的邊框分別計算對應的極限電流和電壓。

 

Vce=600V時對應極限電流:



Ic=120A時對應極限Vce:



我們分別在SOA曲線邊框找到50V和10A這兩個點,如下圖:



將這兩個點連起來就得到殼溫100℃下10us脈衝對應的SOA曲線:



使用同樣的計算方法可以得到其他對應的單脈衝限制曲線,如下如:



通過以上計算過程可以看到,SOA曲線其實是受最高結溫,瞬態熱阻,殼溫等多個因素限制,原廠規格書往往只會給出特定殼溫下的SOA曲線。當殼溫升高時,對應的SOA曲線會下移,相應的安全工作區也會變小,實際設計過程中需要考慮到這一點,針對實際工作運行中的殼溫做相應的調整。


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