IGBT在大功率斬波中問題的探討
發(fā)布時間：2019-07-11 11:56:15來源：
IGBT是近代新發(fā)展起來的全控型功率半導體器件，它是由MOSFET（場效應晶體管）與GTR（大功率達林頓晶體管）結(jié)合，并由前者擔任驅(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是比較適合斬波應用的器件，而且技術(shù)極為簡單，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，問題就沒有那么簡單，特別是大功率斬波，如果不面對現(xiàn)實，認真研究、發(fā)現(xiàn)和解決存在的問題，必將事與愿違，斬波設備的可靠性將遭受嚴重的破壞。不知道是出于技術(shù)認識問題還是商務目的，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，這是不科學的。為了尊重科學和澄清事實，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，還科學以本來面目。
一. IGBT的標稱電流與過流能力
1) IGBT的額定電流
目前，IGBT的額定電流（元件標稱的電流）是以器件的比較大直流電流標稱的，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，導通時間越長，元件發(fā)熱越嚴重，導通電流越小。
顯然，為了安全，不可能讓元件工作在比較大電流狀態(tài)，必須降低電流使用，因此，IGBT上述的電流標稱，實際上降低了元件的電流定額，形成標稱虛高，而能力不足。根據(jù)圖1的特性，當IGBT導通時間較長時（例如100us），UCE電壓將降低標稱值的1/2左右；如果保持UCE不變，元件的比較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稱標準，IGBT的標稱電流實際僅為同等晶閘管的1/3左右。例如，標稱為300A的IGBT只相當于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，當按：
式中的Ki為電流裕度系數(shù)，取Ki=2，實際可以選擇630A標稱的晶閘管。
如果選擇IGBT，則為：
。
應該選擇3000A的IGBT元件。
IGBT這種沿襲普通晶體管的電流標稱準則，在功率開關(guān)應用中是否合理，十分值得探討。但無論結(jié)果如何，IGBT的標稱電流在應用時必須大打折扣是不爭的事實。
2) IGBT的過流能力
半導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準，按德國EUPEC、日本三菱等公司的產(chǎn)品參數(shù)，IGBT的峰值電流定為比較大集電極電流（標稱電流）的2倍，有
。
例如，標稱電流為300A元件的峰值電流為600A；而標稱800A元件的峰值電流為1600A。
對比晶閘管,按國標，峰值電流為
，
峰值電流高達10倍額定有效值電流，而且，過流時間長達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，而過流保護畢竟是被動和有限的措施，要使器件安全工作，比較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
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
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，當器件的集電極電流足夠大時，在電阻Rbr上產(chǎn)生正偏電壓將導致寄生晶體管導通，造成寄生晶閘管導通，IGBT的柵極失去控制，器件的電流迅猛上升超過定額值，比較終燒毀器件，這種現(xiàn)象稱為擎住效應。IGBT存在靜態(tài)和動態(tài)兩種擎住效應，分別由導通時的電流和關(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公司的半導體專家卡羅爾在文獻1中對晶體管給出了中肯評價。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)的電阻遠高于導通區(qū)；晶閘管是晶體管的正反饋組合，器件只存在導通和截止兩個工作區(qū)，沒有高阻放大區(qū)。
眾所周知，功率半導體器件都是作為開關(guān)使用的，有用的工作狀態(tài)只有導通和截止，放大狀態(tài)非但沒用，反而起負面作用。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
對于半導體器件，管芯溫度是比較重要的可靠條件，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，器件的性能急劇下降，比較終導致?lián)p壞。
半導體器件的封裝形式是為器件安裝和器件散熱服務的。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、可靠。缺點是安裝不便，功率單元結(jié)構(gòu)復雜，維護不如模塊式方便。
綜合利弊，當電流大于200A（尤其是500A以上）的半導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的比較大容量為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IGBT比較大電流標稱問題，單一器件無法滿足要求，必須采用器件并聯(lián)。半導體器件并聯(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，于是導致并聯(lián)器件的電流不均，此時的1+1小于2，特別是嚴重不均流時，通態(tài)電流大的器件將損壞，這是半導體器件并聯(lián)中老大難的問題，為此，要提高斬波包括其它電力電子設備的可靠性，應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，加上可控半導體器件的均流還要考慮驅(qū)動一致性，否則，既使導通特性一致，也無法實現(xiàn)均流，這樣，就給IGBT并聯(lián)造成了極大困難。
六. IGBT的驅(qū)動與隔離問題
可控半導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等晶體管的導通要求柵極具有持續(xù)的電流或電壓（電平驅(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 前者比較適合開關(guān)應用
有無高阻放大區(qū) 無 有 比較好無放大區(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/標稱電流 1.57 0.5-1
浪涌/標稱電流 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 靠內(nèi)部，易發(fā)熱損壞
附表1 SCR（晶閘管）與IGBT的部分性能對比
附表2 SCR與IGBT 的觸發(fā)、驅(qū)動性能對比
器件性能 晶閘管 IGBT（晶體管） 結(jié)論
導通 門極觸發(fā) 柵極驅(qū)動 一致
關(guān)斷 陽極反偏 柵極反偏 后者優(yōu)、簡單方便
適用脈沖變壓器 適用 不適用
驅(qū)動隔離 易 難 無隔離易干擾
脈沖驅(qū)動 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，科學實踐需要科學的態(tài)度。
在大功率開關(guān)應用的可靠性方面，晶閘管要優(yōu)于晶體管，這是半導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）比較新推出的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，比較為適合大功率斬波應用。
IGCT和IGBT目前都存在依賴進口和價格昂貴的問題，受其影響，給我國的斬波內(nèi)饋調(diào)速應用造成不小的困難，維修費用高，器件參數(shù)把控難，供貨時間長等因素都應該在產(chǎn)品化時慎重考慮。
盡管普通晶閘管存在關(guān)斷困難的缺點，如果能夠加以解決，仍然是近期大功率斬波應用的主導方向，理由是普通晶閘管的其它優(yōu)點是晶體管無法替代的。