IGBT的擎住效應(yīng)與并聯(lián)均流問題

1、 HYPERLINK 斬波是電電力電子子控制中中的一項項變流技技術(shù)，其其實質(zhì)是是直流控控制的脈脈寬調(diào)制制，因其其波形如如同斬切切般整齊齊、對稱稱，故名名斬波。斬波在在內(nèi)饋調(diào)調(diào)速控制制中占有有極為重重要的地地位，它它不僅關(guān)關(guān)系到調(diào)調(diào)速的技技術(shù)性能能，而且且直接影影響設(shè)備備的運行行安全和和可靠性性，因此此。如何何選擇斬斬波電路路和斬波波器件十十分重要要。IGBTT是近代代新發(fā)展展起來的的全控型型功率半半導(dǎo)體器器件，它它是由MMOSFFET（場效應(yīng)應(yīng)晶體管管）與GTR（大功功率達林林頓晶體體管）結(jié)結(jié)合，并并由前者者擔任驅(qū)驅(qū)動，因因此具有有：驅(qū)動動功率小小，通態(tài)態(tài)壓降低低，開關(guān)關(guān)速度快快等優(yōu)點點，目前

2、前已廣泛泛應(yīng)用于于變頻調(diào)速速、開關(guān)關(guān)電源等等電力電電子領(lǐng)域域。就全全控性能能而言，IGBBT是最最適合斬斬波應(yīng)用用的器件件，而且且技術(shù)極極為簡單單，幾乎乎IGBBT器件本本身就構(gòu)構(gòu)成了斬斬波電路路。但是是要把IGBBT斬波形形成產(chǎn)品品，問題題就沒有有那么簡簡單，特特別是大大功率斬斬波，如如果不面面對現(xiàn)實實，認真真研究、發(fā)現(xiàn)和和解決存存在的問問題，必必將事與與愿違，斬波設(shè)設(shè)備的可可靠性將將遭受嚴嚴重的破破壞。不不知道是是出于技技術(shù)認識識問題還還是商務(wù)務(wù)目的，近來發(fā)發(fā)現(xiàn)，某某些企業(yè)業(yè)對IGBBT晶體管管倍加推推崇，而而對晶閘閘管全面面否定，顯然，這是不不科學(xué)的的。為了了尊重科科學(xué)和澄澄清事實實，本

3、文文就晶閘閘管和以以IGBBT為代表的的晶體管管的性能能、特點點加以分分析和對對比，希希望能夠夠并引起起討論，還科學(xué)學(xué)以本來來面目。一. IIGBTT的標稱稱電流與與過流能能力1) IIGBTT的額定定電流目前前，IGBBT的額定定電流（元件標標稱的電電流）是是以器件件的最大大直流電電流標稱稱的，元元件實際際允許通通過的電電流受安安全工作作區(qū)的限限制而減減小，由由圖1所示的IGBBT安全工工作區(qū)可可見，影影響通過過電流的的因素除除了c-e電壓之之外，還還有工作作頻率，頻率越越低，導(dǎo)導(dǎo)通時間間越長，元件發(fā)發(fā)熱越嚴嚴重，導(dǎo)導(dǎo)通電流流越小。圖1 IIGBTT的安全全工作區(qū)區(qū)顯然然，為了了安全，不可能

4、能讓元件件工作在在最大電電流狀態(tài)態(tài)，必須須降低電電流使用用，因此此，IGBBT上述的的電流標標稱，實實際上降降低了元元件的電電流定額額，形成成標稱虛虛高，而而能力不不足。根根據(jù)圖1的特性性，當IGBBT導(dǎo)通時時間較長長時（例例如1000us），UCE電壓將將降低標標稱值的的1/2左右；如果保保持UCE不變，元件的的最大集集電極電電流將降降低額定定值的2/3。因此此，按照照晶閘管管的電流流標稱標標準，IGBBT的標稱稱電流實實際僅為為同等晶晶閘管的的1/3左右。例如，標稱為為3000A的IGBBT只相當當于1000A的的SCR（晶閘閘管）。又如，直流工工作電流流為5000A的的斬波電電路，如如果

5、選擇擇晶閘管管，當按按：式中中的Ki為電流流裕度系系數(shù)，取取Ki=2，實際際可以選選擇6300A標稱的的晶閘管管。如果果選擇IGBBT，則為為：應(yīng)該該選擇330000A的IGBBT元件。IGBTT這種沿沿襲普通通晶體管管的電流流標稱準準則，在在功率開開關(guān)應(yīng)用用中是否否合理，十分值值得探討討。但無無論結(jié)果果如何，IGBBT的標稱稱電流在在應(yīng)用時時必須大大打折扣扣是不爭爭的事實實。1) IIGBTT的過流流能力半導(dǎo)導(dǎo)體元件件的過流流能力通通常用允允許的峰峰值電流流IM來衡量量，IGBBT目前還還沒有國國際通用用的標準準，按德德國EUPPEC、日本本三菱等等公司的的產(chǎn)品參參數(shù)，IGBBT的峰值值電流

6、定定為最大大集電極極電流（標稱電電流）的的2倍，有有例如如，標稱稱電流為為3000A元件的的峰值電電流為6600AA；而標標稱8000A元元件的峰峰值電流流為16000A。對比比晶閘管管,按國標標，峰值值電流為為峰值值電流高高達10倍額定定有效值值電流，而且，過流時時間長達達10mss，而IGBBT的允許許峰值電電流時間間據(jù)有關(guān)關(guān)資料介介紹僅為為10uus，可見IGBBT的過流流能力太太脆弱了了。承受受過流的的能力強強弱是衡衡量斬波波工作可可靠與否否的關(guān)鍵鍵，要使使電路不不發(fā)生過過流幾乎乎是不可可能的，負載的的變化，工作狀狀態(tài)切換換的過度度過程，都將引引發(fā)過流流和過壓壓，而過過流保護護畢竟是是

7、被動和和有限的的措施，要使器器件安全全工作，最終還還是要提提高器件件自身的的過流能能力。另外外，由于于受晶體體管制造造工藝的的限制，IGBBT很難制制成大電電流容量量的單管管芯，較較大電流流的器件件實際是是內(nèi)部小小元件的的并聯(lián)，例如，標稱電電流為6000A的IGBBT，解剖剖開是8只75A元件并并聯(lián)，由由于元件件并聯(lián)工工藝（焊焊接）的的可靠性性較差，使器件件較比單單一管芯芯的晶閘閘管在可可靠性方方面明顯顯降低。二. IIGBTT的擎住住效應(yīng)IGBTT的簡化化等效電電路如圖圖3所示:圖3 IIGBTT的等效效電路及及晶閘管管效應(yīng)其中中的NPN晶體管管和體區(qū)區(qū)短路電電阻Rbbr都是因因工藝而而寄生

8、形形成的，這樣，主PNP晶體管管與寄生生NPN晶體管管形成了了寄生的的晶閘管管，當器器件的集集電極電電流足夠夠大時，在電阻阻Rbr上產(chǎn)生生正偏電電壓將導(dǎo)導(dǎo)致寄生生晶體管管導(dǎo)通，造成寄寄生晶閘閘管導(dǎo)通通，IGBBT的柵極極失去控控制，器器件的電電流迅猛猛上升超超過定額額值，最最終燒毀毀器件，這種現(xiàn)現(xiàn)象稱為為擎住效效應(yīng)。IGBBT存在靜靜態(tài)和動動態(tài)兩種種擎住效效應(yīng)，分分別由導(dǎo)導(dǎo)通時的的電流和和關(guān)斷時時的電壓壓過大而而引起，要在實實踐中根根本避免免擎住效效應(yīng)是很很困難的的，這在在某種程程度大大大影響了了IGBBT的可靠靠性。三. IIGBTT的高阻阻放大區(qū)區(qū)“晶體管管是一種種放大器器”，ABB公司的

9、的半導(dǎo)體體專家卡卡羅爾在在文獻1中對晶晶體管給給出了中中肯*價。晶晶體管與與晶閘管管的本質(zhì)質(zhì)區(qū)別在在于：晶晶體管具具有放大大功能，器件存存在導(dǎo)通通、截止止和放大大三個工工作區(qū)，而放大大區(qū)的載載流子處處于非飽飽和狀態(tài)態(tài)，故放放大區(qū)的的電阻遠遠高于導(dǎo)導(dǎo)通區(qū)；晶閘管管是晶體體管的正正反饋組組合，器器件只存存在導(dǎo)通通和截止止兩個工工作區(qū)，沒有高高阻放大大區(qū)。眾所所周知，功率半半導(dǎo)體器器件都是是作為開開關(guān)使用用的，有有用的工工作狀態(tài)態(tài)只有導(dǎo)導(dǎo)通和截截止，放放大狀態(tài)態(tài)非但沒沒用，反反而起負負面作用用。理由由是如果果電流通通過放大大區(qū)，由由于該區(qū)區(qū)的電阻阻較大，必然引引起劇烈烈的發(fā)熱熱，導(dǎo)致致器件燒燒毀。I

10、GBBT從屬于于晶體管管，同樣樣存在高高阻放大大區(qū)，器器件在作作開關(guān)應(yīng)應(yīng)用時，必然經(jīng)經(jīng)過放大大區(qū)引起起發(fā)熱，這是包包括IGBBT在內(nèi)的的晶體管管在開關(guān)關(guān)應(yīng)用上上遜色于于晶閘管管的原理理所在。圖4a晶晶閘管的的PNPPN結(jié)構(gòu)與與等效電電路四. IIGBTT的封裝裝形式與與散熱對于于半導(dǎo)體體器件，管芯溫溫度是最最重要的的可靠條條件，幾幾乎所有有的技術(shù)術(shù)參數(shù)值值都是在在允許溫溫度（通通常為120140C）條件件下才成成立的，如果溫溫度超標標，器件件的性能能急劇下下降，最最終導(dǎo)致致?lián)p壞。半導(dǎo)導(dǎo)體器件件的封裝裝形式是是為器件件安裝和和器件散散熱服務(wù)務(wù)的。定定額2000A以上的的器件，目前主主要封裝裝形式

11、有有模塊式式和平板板壓接式式兩種，螺栓式式基本已已經(jīng)淘汰汰。模塊塊式結(jié)構(gòu)構(gòu)多用于于將數(shù)個個器件整整合成基基本變流流電路，例如，整流、逆變模模塊，具具有體積積小，安安裝方便便，結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單等等優(yōu)點，缺點是是器件只只能單面面散熱，而且要要求底板板既要絕絕緣又要要導(dǎo)熱性性能好（實現(xiàn)起起來很困困難），只適用用于中小小功率的的單元或或器件。平板板式結(jié)構(gòu)構(gòu)主要用用于單一一的大電電流器件件，是將將器件和和雙面散散熱器緊固固在一起起，散熱熱器既作作散熱又又作電極極之用。平板式式的優(yōu)點點是散熱熱性能好好，器件件工作安安全、可可靠。缺缺點是安安裝不便便，功率率單元結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜，維護護不如模模塊式方方便。綜合合利弊，

12、當電流流大于2000A（尤其其是5000A以上）的半導(dǎo)導(dǎo)體器件件上首選選平板式式結(jié)構(gòu)，已經(jīng)是是業(yè)內(nèi)共共識，只只是IGBBT受管芯芯制作原原理的限限制，目目前無法法制造成成大功率率芯片，不不能采用用平板式式結(jié)構(gòu)，只好采采用模塊塊式，雖雖然安裝裝方便，但散熱熱性能差差不利于于可靠性性，這是是不爭的的事實。五. IIGBTT的并聯(lián)聯(lián)均流問問題目前前，國外外單管IGBBT的最大容容量為20000A/25000V，實際際的商品品器件容容量為12000A/24000V，根據(jù)據(jù)大功率率斬波的的需要，通常，額定工工作電流流為4000A15500AA，考慮慮到器件件工作安安全，必必須留有有2倍左右右的電流流裕度

13、，再結(jié)合合本文前前述的IGBBT最大電電流標稱稱問題，單一器器件無法法滿足要要求，必必須采用用器件并并聯(lián)。半半導(dǎo)體器器件并聯(lián)聯(lián)存在的的均流問問題是影影響可靠靠性的關(guān)關(guān)鍵，由由于受離離散性的的限制，并聯(lián)器器件的參參數(shù)不可可能完全全一致，于是導(dǎo)導(dǎo)致并聯(lián)聯(lián)器件的的電流不不均，此此時的1+1小于2，特別別是嚴重重不均流流時，通通態(tài)電流流大的器器件將損損壞，這這是半導(dǎo)導(dǎo)體器件件并聯(lián)中中老大難難的問題題，為此此，要提提高斬波波包括其其它電力力電子設(shè)設(shè)備的可可靠性，應(yīng)該盡盡量避免免器件并并聯(lián)，而而采用單單管大電電流器件件。從理理論上講講，IGBBT在大電電流狀態(tài)態(tài)具有正正溫度系系數(shù)，可可以改善善均流性性能，

14、但但是畢竟竟有限，加上可可控半導(dǎo)導(dǎo)體器件件的均流流還要考考慮驅(qū)動動一致性性，否則則，既使使導(dǎo)通特特性一致致，也無無法實現(xiàn)現(xiàn)均流，這樣，就給IGBBT并聯(lián)造造成了極極大困難難。六. IIGBTT的驅(qū)動動與隔離離問題可控控半導(dǎo)體體器件都都存在控控制部分分，晶閘閘管和晶晶體管也也不例外外。為了了提高可可靠性，要求驅(qū)驅(qū)動或觸觸發(fā)部分分必須和和主電路路嚴格隔隔離，兩兩者不能能有電的的聯(lián)系。與晶晶閘管的的脈沖沿沿觸發(fā)特特性不同同（沿驅(qū)驅(qū)動），IGBBT等晶體體管的導(dǎo)導(dǎo)通要求求柵極具具有持續(xù)續(xù)的電流流或電壓壓（電平平驅(qū)動），這樣樣，晶體體管就不不能象晶晶閘管那那樣，通通過采用用脈沖變變壓器實實現(xiàn)隔離離，驅(qū)動

15、動電路必必須是有有源的，電路較較為復(fù)雜雜，而且且包含驅(qū)驅(qū)動電源源在內(nèi)，要和主主電路有有高耐壓壓的隔離離。實踐踐證明，晶體管管的驅(qū)動動隔離是是導(dǎo)致系系統(tǒng)可靠靠性降低低不可忽忽略的因因素，據(jù)據(jù)不完全全統(tǒng)計，由于驅(qū)驅(qū)動隔離離問題而而導(dǎo)致故故障的幾幾率約占占總故障障的15%以上。七.結(jié)束束語附表表1、2總結(jié)了了晶閘管管和IGBBT部分性性能的對對比：附表表1 SSCR（晶閘閘管）與與IGBBT的部分分性能對對比IGBTT斬波受受器件容容量和晶晶體管特特性的限限制，在在較大功功率（5000KW以上）的內(nèi)饋饋調(diào)速應(yīng)應(yīng)用上還還存在問問題，其其中主要要表現(xiàn)在在承受過過流、過過壓的可可靠性方方面。不不能以IGBBT的全控控優(yōu)點，掩蓋其其存在的的不足，科學(xué)實實踐需要要科學(xué)的的態(tài)度。在大大功率開開關(guān)應(yīng)用用的可靠靠性方面面，晶閘閘管要優(yōu)優(yōu)于晶體體管，這這是半導(dǎo)導(dǎo)體器件件原理所所決定的的。目前前，新型型晶閘管管的發(fā)展展速度非非常之快快，目的的是解決決普通晶晶閘管存存在無法法門極關(guān)關(guān)斷的缺缺點，國國外（目目前僅有有ABB公司）最新推推出的TGO與MOSSFETT的組