IGBT在大功率斬波中問題的應(yīng)用

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，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)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，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、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IGBT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。

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(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(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：

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，最為適合大功率斬波應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用的主導(dǎo)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。