IGBT在大功率斩波中问题的应用 达林顿, 晶体管

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斩波是电力电子控制中的一项变流技术，其实质是直流控制的脉宽调制，因其波形如同斩切般整齐、对称，故名斩波。斩波在内馈调速控制中占有极为重要的地位，它不仅关系到调速的技术性能，而且直接影响设备的运行安全和可靠性，因此。如何选择斩波电路和斩波器件十分重要。
IGBT是近代新发展起来的全控型功率半导体器件，它是由MOSFET(场效应晶体管)与GTR(大功率达林顿晶体管)结合，并由前者担任驱动，因此具有：驱动功率小，通态压降低，开关速度快等优点，目前已广泛应用于变频调速、开关电源等电力电子领域。
就全控性能而言，IGBT是最适合斩波应用的器件，而且技术极为简单，几乎IGBT器件本身就构成了斩波电路。但是要把IGBT斩波形成产品，问题就没有那么简单，特别是大功率斩波，如果不面对现实，认真研究、发现和解决存在的问题，必将事与愿违，斩波设备的可靠性将遭受严重的破坏。不知道是出于技术认识问题还是商务目的，近来发现，某些企业对IGBT晶体管倍加推崇，而对晶闸管全面否定，显然，这是不科学的。为了尊重科学和澄清事实，本文就晶闸管和以IGBT为代表的晶体管的性能、特点加以分析和对比，希望能够并引起讨论，还科学以本来面目。
一. IGBT的标称电流与过流能力
1) IGBT的额定电流
目前，IGBT的额定电流(元件标称的电流)是以器件的最大直流电流标称的，元件实际允许通过的电流受安全工作区的限制而减小，由图1所示的IGBT安全工作区可见，影响通过电流的因素除了c-e电压之外，还有工作频率，频率越低，导通时间越长，元件发热越严重，导通电流越小。


图1 IGBT的安全工作区
显然，为了安全，不可能让元件工作在最大电流状态，必须降低电流使用，因此，IGBT上述的电流标称，实际上降低了元件的电流定额，形成标称虚高，而能力不足。根据图1 的特性，当IGBT导通时间较长时(例如100us)，UCE电压将降低标称值的1/2左右;如果保持UCE不变，元件的最大集电极电流将降低额定值的2/3。因此，按照晶闸管的电流标称标准，IGBT的标称电流实际仅为同等晶闸管的1/3左右。例如，标称为300A的IGBT只相当于100A的SCR(晶闸管)。又如，直流工作电流为500A的斩波电路，如果选择晶闸管，当按：


式中的Ki为电流裕度系数，取Ki=2，实际可以选择630A标称的晶闸管。
如果选择IGBT，则为：


应该选择3000A的IGBT元件。
IGBT这种沿袭普通晶体管的电流标称准则，在功率开关应用中是否合理，十分值得探讨。但无论结果如何，IGBT的标称电流在应用时必须大打折扣是不争的事实。
1) IGBT的过流能力
半导体元件的过流能力通常用允许的峰值电流IM来衡量，IGBT目前还没有国际通用的标准，按德国EUPEC、日本三菱等公司的产品参数，IGBT的峰值电流定为最大集电极电流(标称电流)的2倍，有


例如，标称电流为300A元件的峰值电流为600A;而标称800A元件的峰值电流为1600A。
对比晶闸管,按国标，峰值电流为


峰值电流高达10倍额定有效值电流，而且，过流时间长达10ms，而IGBT的允许峰值电流时间据有关资料介绍仅为10us，可见IGBT的过流能力太脆弱了。
承受过流的能力强弱是衡量斩波工作可靠与否的关键，要使电路不发生过流几乎是不可能的，负载的变化，工作状态切换的过度过程，都将引发过流和过压，而过流保护毕竟是被动和有限的措施，要使器件安全工作，最终还是要提高器件自身的过流能力。
另外，由于受晶体管制造工艺的限制，IGBT很难制成大电流容量的单管芯，较大电流的器件实际是内部小元件的并联，例如，标称电流为600A的IGBT，解剖开是8只75A元件并联，由于元件并联工艺(焊接)的可靠性较差，使器件较比单一管芯的晶闸管在可靠性方面明显降低。
二. IGBT的擎住效应
IGBT的简化等效电路如图3所示:


图3 IGBT的等效电路及晶闸管效应
其中的NPN晶体管和体区短路电阻Rbr都是因工艺而寄生形成的，这样，主PNP晶体管与寄生NPN晶体管形成了寄生的晶闸管，当器件的集电极电流足够大时，在电阻Rbr上产生正偏电压将导致寄生晶体管导通，造成寄生晶闸管导通，IGBT的栅极失去控制，器件的电流迅猛上升超过定额值，最终烧毁器件，这种现象称为擎住效应。IGBT存在静态和动态两种擎住效应，分别由导通时的电流和关断时的电压过大而引起，要在实践中根本避免擎住效应是很困难的，这在某种程度大大影响了IGBT的可靠性。
三. IGBT的高阻放大区
“晶体管是一种放大器”，ABB公司的半导体专家卡罗尔在文献1中对晶体管给出了中肯*价。晶体管与晶闸管的本质区别在于：晶体管具有放大功能，器件存在导通、截止和放大三个工作区，而放大区的载流子处于非饱和状态，故放大区的电阻远高于导通区;晶闸管是晶体管的正反馈组合，器件只存在导通和截止两个工作区，没有高阻放大区。
众所周知，功率半导体器件都是作为开关使用的，有用的工作状态只有导通和截止，放大状态非但没用，反而起负面作用。理由是如果电流通过放大区，由于该区的电阻较大，必然引起剧烈的发热，导致器件烧毁。IGBT从属于晶体管，同样存在高阻放大区，器件在作开关应用时，必然经过放大区引起发热，这是包括IGBT在内的晶体管在开关应用上逊色于晶闸管的原理所在。


图4a 晶闸管的PNPN结构与等效电路
四. IGBT的封装形式与散热
对于半导体器件，管芯温度是最重要的可靠条件，几乎所有的技术参数值都是在允许温度(通常为120○——140○C)条件下才成立的，如果温度超标，器件的性能急剧下降，最终导致损坏。
半导体器件的封装形式是为器件安装和器件散热服务的。定额200A以上的器件，目前主要封装形式有模块式和平板压接式两种，螺栓式基本已经淘汰。
模块式结构多用于将数个器件整合成基本变流电路，例如，整流、逆变模块，具有体积小，安装方便，结构简单等优点，缺点是器件只能单面散热，而且要求底板既要绝缘又要导热性能好(实现起来很困难)，只适用于中小功率的单元或器件。
平板式结构主要用于单一的大电流器件，是将器件和双面散热器紧固在一起，散热器既作散热又作电极之用。平板式的优点是散热性能好，器件工作安全、可靠。缺点是安装不便，功率单元结构复杂，维护不如模块式方便。
综合利弊，当电流大于200A(尤其是500A以上)的半导体器件上首选平板式结构，已经是业内共识，只是IGBT受管芯制作原理的限制，目前无法制造成大功率芯片，不能采用平板式结构，只好采用模块式，虽然安装方便，但散热性能差不利于可靠性，这是不争的事实。
五. IGBT的并联均流问题
目前，国外单管IGBT的最大容量为2000A/2500V，实际的商品器件容量为1200A/2400V，根据大功率斩波的需要，通常，额定工作电流为400A——1500A，考虑到器件工作安全，必须留有2倍左右的电流裕度，再结合本文前述的IGBT最大电流标称问题，单一器件无法满足要求，必须采用器件并联。半导体器件并联存在的均流问题是影响可靠性的关键，由于受离散性的限制，并联器件的参数不可能完全一致，于是导致并联器件的电流不均，此时的1+1小于2，特别是严重不均流时，通态电流大的器件将损坏，这是半导体器件并联中老大难的问题，为此，要提高斩波包括其它电力电子设备的可靠性，应该尽量避免器件并联，而采用单管大电流器件。
从理论上讲，IGBT在大电流状态具有正温度系数，可以改善均流性能，但是毕竟有限，加上可控半导体器件的均流还要考虑驱动一致性，否则，既使导通特性一致，也无法实现均流，这样，就给IGBT并联造成了极大困难。
六. IGBT的驱动与隔离问题
可控半导体器件都存在控制部分，晶闸管和晶体管也不例外。为了提高可靠性，要求驱动或触发部分必须和主电路严格隔离，两者不能有电的联系。
与晶闸管的脉冲沿触发特性不同(沿驱动)，IGBT等晶体管的导通要求栅极具有持续的电流或电压(电平驱动)，这样，晶体管就不能象晶闸管那样，通过采用脉冲变压器实现隔离，驱动电路必须是有源的，电路较为复杂，而且包含驱动电源在内，要和主电路有高耐压的隔离。实践证明，晶体管的驱动隔离是导致系统可靠性降低不可忽略的因素，据不完全统计，由于驱动隔离问题而导致故障的几率约占总故障的15%以上。
七. 结束语
附表1、2总结了晶闸管和IGBT部分性能的对比：


附表1 SCR(晶闸管)与IGBT的部分性能对比


IGBT斩波受器件容量和晶体管特性的限制，在较大功率(500KW以上)的内馈调速应用上还存在问题，其中主要表现在承受过流、过压的可靠性方面。不能以IGBT的全控优点，掩盖其存在的不足，科学实践需要科学的态度。
在大功率开关应用的可靠性方面，晶闸管要优于晶体管，这是半导体器件原理所决定的。目前，新型晶闸管的发展速度非常之快，目的是解决普通晶闸管存在无法门极关断的缺点，国外(目前仅有ABB公司)最新推出的TGO与MOSFET的组合——集成门极换向晶闸管IGCT是较为理想的晶闸管器件，最为适合大功率斩波应用。
IGCT和IGBT目前都存在依赖进口和价格昂贵的问题，受其影响，给我国的斩波内馈调速应用造成不小的困难，维修费用高，器件参数把控难，供货时间长等因素都应该在产品化时慎重考虑。