IGBT的擎住效應(yīng)與并聯(lián)均流問題

1、斬波是電力 電子 控制中的一項變流技術(shù)， 其實質(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MOSFE（T場效應(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，因此具有：驅(qū)動功率小，通態(tài)壓降低， 開關(guān) 速度快等優(yōu)點，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 是最適合斬波應(yīng)用的器件，而且技術(shù)極為簡單，幾乎 IGB

2、T 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，問題就沒有那么簡單，特別是大功率斬波，如果不面對現(xiàn)實，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)識問題還是商務(wù)目的，近來發(fā)現(xiàn)，某些企業(yè)對 IGBT晶體管倍加推崇，而對 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， 本文就晶閘管和以 IGBT 為代表的晶體管的性能、 特點加以分析和 對比，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）是以器件的最大直流

3、電流標(biāo)稱的，元件實際允許通過的電 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)通時間越長，元件發(fā)熱越嚴(yán)重，導(dǎo)通電流越小。圖 1 IGBT 的安全工作區(qū) 顯然，為了安全，不可能讓元件工作在最大電流狀態(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)通時間較 長時（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，元件的最大集電極電流將降低額定值的 2/3 。因此，按照晶閘

4、管的電流標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)， IGBT 的標(biāo)稱電流實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)用時必須大打折扣是不爭的事實。1） 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， I

5、GBT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的峰值電流定為最大集電極電流（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，過流時間長達(dá) 10ms，而 IGBT 的允許峰值電流時間據(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，而過流保護畢竟

6、是被動和有限的措施，要使器件 安全工作，最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。. IGBT 的擎住效應(yīng)IGBT的簡化等效電路如圖 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

7、夠大時，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，最終燒毀器件，這 種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)。 IGBT 存在靜態(tài)和動態(tài)兩種擎住效應(yīng)，分別由導(dǎo)通時的電流和關(guān)斷時的電壓過大而引 起，要在實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中對晶體管給出了中肯 * 價。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)

8、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，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 對于半導(dǎo)體器件，管芯溫度是最重要的可靠條件，幾乎所有的技術(shù)參數(shù)值都是在允許

9、溫度（通常為 120140C）條件下才成立的，如果溫度超標(biāo)，器件的性能急劇下降，最終導(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)簡單等優(yōu)點，缺點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)點是散熱性能好，器件工作安全、

10、可靠。缺點是安裝不便，功率單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護 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)體器件上首選平板式結(jié)構(gòu)，已經(jīng)是業(yè)內(nèi)共識， 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，這是不爭的事實。五. IGBT 的并聯(lián)均流問題目前，國外單管 IGBT 的最大容量為 2000A/2500V，實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 IG

11、BT 最大電流標(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，此時的 1+1小于 2，特別是嚴(yán)重不均流時，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)動一致性，否則，既使導(dǎo)通特性一致，也無法實現(xiàn)均流，這樣，就給IGBT 并聯(lián)造成了極大困難。

12、六. IGBT 的驅(qū)動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） ，IGBT 等晶體管的導(dǎo)通要求柵極具有持續(xù)的電流或電壓 平驅(qū)動），這樣，晶體管就不能象晶閘管那樣，通過采用脈沖 變壓器 實現(xiàn)隔離，驅(qū)動電路必須是有源的， 電路較為復(fù)雜，而且包含驅(qū)動 電源 在內(nèi)，要和主電路有高耐壓的隔離。實踐證明，晶體管的驅(qū)動隔離是導(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， 由于驅(qū)動隔離問題而導(dǎo)致故障的幾率約占總故障的 以上。七. 結(jié)束語附表 1、2 總結(jié)了晶閘管和 IGBT 部分性能的對比：附表 1 SCR（晶閘管）與 IGBT 的部分性能對比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，掩蓋其存在的不足，科學(xué)實踐需要科學(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，國外 （目前僅有 ABB公司） 最新推出的 TGO與 MOSF