IGBT在大功率斬波中問題的探討

斬波是電力電子控制中的一項(xiàng)變流技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是直流控制的脈寬調(diào)制，因其波形如同斬切般整齊、對(duì)稱，故名斬波。斬波在內(nèi)饋調(diào)速控制中占有極為重要的地位，它不僅關(guān)系到調(diào)速的技術(shù)性能，而且直接影響設(shè)備的運(yùn)行安全和可靠性，因此。如何選擇斬波電路和斬波器件十分重要。

　　IGBT是近代新發(fā)展起來的全控型功率半導(dǎo)體器件，它是由MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）與GTR（大功率達(dá)林頓晶體管）結(jié)合，并由前者擔(dān)任驅(qū)動(dòng)，因此具有：驅(qū)動(dòng)功率小，通態(tài)壓降低，開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速、開關(guān)電源等電力電子領(lǐng)域。

　　就全控性能而言，IGBT是*適合斬波應(yīng)用的器件，而且技術(shù)極為簡(jiǎn)單，幾乎IGBT器件本身就構(gòu)成了斬波電路。但是要把IGBT斬波形成產(chǎn)品，問題就沒有那么簡(jiǎn)單，特別是大功率斬波，如果不面對(duì)現(xiàn)實(shí)，認(rèn)真研究、發(fā)現(xiàn)和解決存在的問題，必將事與愿違，斬波設(shè)備的可靠性將遭受嚴(yán)重的破壞。不知道是出于技術(shù)認(rèn)識(shí)問題還是商務(wù)目的，近來發(fā)現(xiàn)，某些企業(yè)對(duì)IGBT晶體管倍加推崇，而對(duì)晶閘管全面否定，顯然，這是不科學(xué)的。為了尊重科學(xué)和澄清事實(shí)，本文就晶閘管和以IGBT為代表的晶體管的性能、特點(diǎn)加以分析和對(duì)比，希望能夠并引起討論，還科學(xué)以本來面目。

　　一. IGBT的標(biāo)稱電流與過流能力

　　1) IGBT的額定電流

　　目前，IGBT的額定電流（元件標(biāo)稱的電流）是以器件的*大直流電流標(biāo)稱的，元件實(shí)際允許通過的電流受安全工作區(qū)的限制而減小，由圖1所示的IGBT安全工作區(qū)可見，影響通過電流的因素除了c-e電壓之外，還有工作頻率，頻率越低，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，元件發(fā)熱越嚴(yán)重，導(dǎo)通電流越小。

　　顯然，為了安全，不可能讓元件工作在*大電流狀態(tài)，必須降低電流使用，因此，IGBT上述的電流標(biāo)稱，實(shí)際上降低了元件的電流定額，形成標(biāo)稱虛高，而能力不足。根據(jù)圖1的特性，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)（例如100us），UCE電壓將降低標(biāo)稱值的1/2左右；如果保持UCE不變，元件的*大集電極電流將降低額定值的2/3。因此，按照晶閘管的電流標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)，IGBT的標(biāo)稱電流實(shí)際僅為同等晶閘管的1/3左右。例如，標(biāo)稱為300A的IGBT只相當(dāng)于100A的SCR（晶閘管）。又如，直流工作電流為500A的斬波電路，如果選擇晶閘管，當(dāng)按：

　　式中的Ki為電流裕度系數(shù)，取Ki=2，實(shí)際可以選擇630A標(biāo)稱的晶閘管。

　　如果選擇IGBT，則為：

　　。

　　應(yīng)該選擇3000A的IGBT元件。

　　IGBT這種沿襲普通晶體管的電流標(biāo)稱準(zhǔn)則，在功率開關(guān)應(yīng)用中是否合理，十分值得探討。但無論結(jié)果如何，IGBT的標(biāo)稱電流在應(yīng)用時(shí)必須大打折扣是不爭(zhēng)的事實(shí)。

　　2) IGBT的過流能力

　　半導(dǎo)體元件的過流能力通常用允許的峰值電流IM來衡量，IGBT目前還沒有國際通用的標(biāo)準(zhǔn)，按德國EUPEC、日本三菱等公司的產(chǎn)品參數(shù)，IGBT的峰值電流定為*大集電極電流（標(biāo)稱電流）的2倍，有

　　。

　　例如，標(biāo)稱電流為300A元件的峰值電流為600A；而標(biāo)稱800A元件的峰值電流為1600A。

　　對(duì)比晶閘管,按國標(biāo)，峰值電流為

　　，

　　峰值電流高達(dá)10倍額定有效值電流，而且，過流時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10ms，而IGBT的允許峰值電流時(shí)間據(jù)有關(guān)資料介紹僅為10us，可見IGBT的過流能力太脆弱了。

　　承受過流的能力強(qiáng)弱是衡量斬波工作可靠與否的關(guān)鍵，要使電路不發(fā)生過流幾乎是不可能的，負(fù)載的變化，工作狀態(tài)切換的過度過程，都將引發(fā)過流和過壓，而過流保護(hù)畢竟是被動(dòng)和有限的措施，要使器件安全工作，*終還是要提高器件自身的過流能力。

　　另外，由于受晶體管制造工藝的限制，IGBT很難制成大電流容量的單管芯，較大電流的器件實(shí)際是內(nèi)部小元件的并聯(lián)，例如，標(biāo)稱電流為600A的IGBT，解剖開是8只75A元件并聯(lián)，由于元件并聯(lián)工藝（焊接）的可靠性較差，使器件較比單一管芯的晶閘管在可靠性方面明顯降低。

　　二. IGBT的擎住效應(yīng)

　　IGBT的簡(jiǎn)化等效電路如圖3所示，

　　圖3 IGBT的等效電路及晶閘管效應(yīng)

　　其中的NPN晶體管和體區(qū)短路電阻Rbr都是因工藝而寄生形成的，這樣，主PNP晶體管與寄生NPN晶體管形成了寄生的晶閘管，當(dāng)器件的集電極電流足夠大時(shí)，在電阻Rbr上產(chǎn)生正偏電壓將導(dǎo)致寄生晶體管導(dǎo)通，造成寄生晶閘管導(dǎo)通，IGBT的柵極失去控制，器件的電流迅猛上升超過定額值，*終燒毀器件，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)。IGBT存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種擎住效應(yīng)，分別由導(dǎo)通時(shí)的電流和關(guān)斷時(shí)的電壓過大而引起，要在實(shí)踐中根本避免擎住效應(yīng)是很困難的，這在某種程度大大影響了IGBT的可靠性。

　　三. IGBT的高阻放大區(qū)

　　“晶體管是一種放大器”，ABB公司的半導(dǎo)體專家卡羅爾在文獻(xiàn)1中對(duì)晶體管給出了中肯評(píng)價(jià)。晶體管與晶閘管的本質(zhì)區(qū)別在于：晶體管具有放大功能，器件存在導(dǎo)通、截止和放大三個(gè)工作區(qū)，而放大區(qū)的載流子處于非飽和狀態(tài)，故放大區(qū)的電阻遠(yuǎn)高于導(dǎo)通區(qū)；晶閘管是晶體管的正反饋組合，器件只存在導(dǎo)通和截止兩個(gè)工作區(qū)，沒有高阻放大區(qū)。

　　眾所周知，功率半導(dǎo)體器件都是作為開關(guān)使用的，有用的工作狀態(tài)只有導(dǎo)通和截止，放大狀態(tài)非但沒用，反而起負(fù)面作用。理由是如果電流通過放大區(qū)，由于該區(qū)的電阻較大，必然引起劇烈的發(fā)熱，導(dǎo)致器件燒毀。IGBT從屬于晶體管，同樣存在高阻放大區(qū)，器件在作開關(guān)應(yīng)用時(shí)，必然經(jīng)過放大區(qū)引起發(fā)熱，這是包括IGBT在內(nèi)的晶體管在開關(guān)應(yīng)用上遜色于晶閘管的原理所在。

圖4a 晶閘管的PNPN結(jié)構(gòu)與等效電路

　　四. IGBT的封裝形式與散熱

　　對(duì)于半導(dǎo)體器件，管芯溫度是*重要的可靠條件，幾乎所有的技術(shù)參數(shù)值都是在允許溫度（通常為120○——140○C）條件下才成立的，如果溫度超標(biāo)，器件的性能急劇下降，*終導(dǎo)致?lián)p壞。

　　半導(dǎo)體器件的封裝形式是為器件安裝和器件散熱服務(wù)的。定額200A以上的器件，目前主要封裝形式有模塊式和平板壓接式兩種，螺栓式基本已經(jīng)淘汰。

　　模塊式結(jié)構(gòu)多用于將數(shù)個(gè)器件整合成基本變流電路，例如，整流、逆變模塊，具有體積小，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是器件只能單面散熱，而且要求底板既要絕緣又要導(dǎo)熱性能好（實(shí)現(xiàn)起來很困難），只適用于中小功率的單元或器件。

　　平板式結(jié)構(gòu)主要用于單一的大電流器件，是將器件和雙面散熱器緊固在一起，散熱器既作散熱又作電極之用。平板式的優(yōu)點(diǎn)是散熱性能好，器件工作安全、可靠。缺點(diǎn)是安裝不便，功率單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不如模塊式方便。

　　綜合利弊，當(dāng)電流大于200A（尤其是500A以上）的半導(dǎo)體器件上**平板式結(jié)構(gòu)，已經(jīng)是業(yè)內(nèi)共識(shí)，只是IGBT受管芯制作原理的限制，目前無法制造成大功率芯片，不能采用平板式結(jié)構(gòu)，只好采用模塊式，雖然安裝方便，但散熱性能差不利于可靠性，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。

　　五. IGBT的并聯(lián)均流問題

　　目前，國外單管IGBT的*大容量為2000A/2500V，實(shí)際的商品器件容量為1200A/2400V，根據(jù)大功率斬波的需要，通常，額定工作電流為400A——1500A，考慮到器件工作安全，必須留有2倍左右的電流裕度，再結(jié)合本文前述的IGBT*大電流標(biāo)稱問題，單一器件無法滿足要求，必須采用器件并聯(lián)。半導(dǎo)體器件并聯(lián)存在的均流問題是影響可靠性的關(guān)鍵，由于受離散性的限制，并聯(lián)器件的參數(shù)不可能完全一致，于是導(dǎo)致并聯(lián)器件的電流不均，此時(shí)的1+1小于2，特別是嚴(yán)重不均流時(shí)，通態(tài)電流大的器件將損壞，這是半導(dǎo)體器件并聯(lián)中老大難的問題，為此，要提高斬波包括其它電力電子設(shè)備的可靠性，應(yīng)該盡量避免器件并聯(lián)，而采用單管大電流器件。

　　從理論上講，IGBT在大電流狀態(tài)具有正溫度系數(shù)，可以改善均流性能，但是畢竟有限，加上可控半導(dǎo)體器件的均流還要考慮驅(qū)動(dòng)一致性，否則，既使導(dǎo)通特性一致，也無法實(shí)現(xiàn)均流，這樣，就給IGBT并聯(lián)造成了極大困難。

　　六. IGBT的驅(qū)動(dòng)與隔離問題

　　可控半導(dǎo)體器件都存在控制部分，晶閘管和晶體管也不例外。為了提高可靠性，要求驅(qū)動(dòng)或觸發(fā)部分必須和主電路嚴(yán)格隔離，兩者不能有電的聯(lián)系。

　　與晶閘管的脈沖沿觸發(fā)特性不同（沿驅(qū)動(dòng)），IGBT等晶體管的導(dǎo)通要求柵極具有持續(xù)的電流或電壓（電平驅(qū)動(dòng)），這樣，晶體管就不能象晶閘管那樣，通過采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，驅(qū)動(dòng)電路必須是有源的，電路較為復(fù)雜，而且包含驅(qū)動(dòng)電源在內(nèi)，要和主電路有高耐壓的隔離。實(shí)踐證明，晶體管的驅(qū)動(dòng)隔離是導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低不可忽略的因素，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由于驅(qū)動(dòng)隔離問題而導(dǎo)致故障的幾率約占總故障的15%以上。

　　七. 結(jié)束語

　　附表1、2總結(jié)了晶閘管和IGBT部分性能的對(duì)比：

器件性能參數(shù) 晶閘管（KP KK） IGBT（晶體管） 結(jié)論

器件等效 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 放大器 前者*適合開關(guān)應(yīng)用

有無高阻放大區(qū) 無 有 *好無放大區(qū)

封裝方式 平板壓接式 模塊式 

散熱 雙面 單面 雙面散熱好

管芯模式 大型面式 小型點(diǎn)式 

內(nèi)部結(jié)構(gòu) 單一管芯 多管芯并聯(lián) 單管可靠

額定/標(biāo)稱電流 1.57 0.5-1 

浪涌/標(biāo)稱電流 10-15 2 

通態(tài)壓降 1.5-2 2.5-4 

電流上升率控制 外部 內(nèi)部 靠?jī)?nèi)部，易發(fā)熱損壞

　　附表1 SCR（晶閘管）與IGBT的部分性能對(duì)比

　　附表2 SCR與IGBT 的觸發(fā)、驅(qū)動(dòng)性能對(duì)比

器件性能 晶閘管 IGBT（晶體管） 結(jié)論

導(dǎo)通 門極觸發(fā) 柵極驅(qū)動(dòng) 一致

關(guān)斷 陽極反偏 柵極反偏 后者優(yōu)、簡(jiǎn)單方便

適用脈沖變壓器 適用 不適用 

驅(qū)動(dòng)隔離 易 難 無隔離易干擾

脈沖驅(qū)動(dòng) 前沿 電平 

　　IGBT斬波受器件容量和晶體管特性的限制，在較大功率（500KW以上）的內(nèi)饋調(diào)速應(yīng)用上還存在問題，其中主要表現(xiàn)在承受過流、過壓的可靠性方面。不能以IGBT的全控優(yōu)點(diǎn)，掩蓋其存在的不足，科學(xué)實(shí)踐需要科學(xué)的態(tài)度。

　　在大功率開關(guān)應(yīng)用的可靠性方面，晶閘管要優(yōu)于晶體管，這是半導(dǎo)體器件原理所決定的。目前，新型晶閘管的發(fā)展速度非常之快，目的是解決普通晶閘管存在無法門極關(guān)斷的缺點(diǎn)，國外（目前僅有ABB公司）*新推出的TGO與MOSFET的組合——集成門極換向晶閘管IGCT是較為理想的晶閘管器件，*為適合大功率斬波應(yīng)用。

　　IGCT和IGBT目前都存在依賴進(jìn)口和價(jià)格昂貴的問題，受其影響，給我國的斬波內(nèi)饋調(diào)速應(yīng)用造成不小的困難，維修費(fèi)用高，器件參數(shù)把控難，供貨時(shí)間長(zhǎng)等因素都應(yīng)該在產(chǎn)品化時(shí)慎重考慮。

　　盡管普通晶閘管存在關(guān)斷困難的缺點(diǎn)，如果能夠加以解決，仍然是近期大功率斬波應(yīng)用的主導(dǎo)方向，理由是普通晶閘管的其它優(yōu)點(diǎn)是晶體管無法替代的。