IGBT的擎住效应与并联均流问题

1、斩波是电力电子限制中的一项变流技术, 其实质是直流限制的脉宽调制,因其波形如同斩切般整洁、对称,故名斩波.斩波在内馈调速限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 备的运行平安和可靠性,因此.如何选择斩波电路和斩波器件十分重要.IGBT是近代新开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I

2、GBT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 术熟悉问题还是商务目的,近来发现,某些企业对IGBT晶体管倍加推崇,而对 晶闸管全面否认,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 比照,希望能够并引起讨论,还科学以本来面目.一 .IGBT的标称电流与过流水平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 流受平安工作区的限制而减小,由图1所示的I

3、GBT平安工作区可见,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的平安工作区显然,为了平安,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,而水平缺乏.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UC环变,元件的最大集电极电流将降 低额定值的2/3.因此,根据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

4、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：T - 500 一IT K.= 2= 634A1 1,571 57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,那么为：=3x2x500=30001Id JI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那么,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的过流水平半导体元件的过流水平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EUPE

5、C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 比照晶闸管,按国标,峰值电流为4=1=1577. 诙W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的过流水平太脆弱了.承受过流的水平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举措,要使器件 平安工作,最终还是要提升器件

6、自身的过流水平.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.2 .IGBT的擎住效应IGBT的简化等效电路如图 3所示:aj甘图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,IGB

7、T的栅极失去限制,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,要在实践中根本防止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.3 .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应组合,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

8、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附属于晶体管,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吉构与等效电路4 .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 12co14co.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

9、散热效劳的.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,螺栓式根本已经淘汰.模块式结构多用于将数个器件整合成根本变流电路,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,器件工作平安、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

10、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.5 .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,考虑到器件工作平安,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

11、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,要提升斩波包括其它电力电子设备的可靠性,应该尽量防止器件并 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,否那么,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限制局部,晶闸管和晶体管也不例外.为了提升可靠性,要求驱动或触发局部 必须和主电路严格隔离,两者不能有电的联系.电15%与晶闸管的脉冲

12、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 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.实践证实,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 以上.七.结束语附表1、2总结了晶闸管和IGBT局部性能的比照：器件/性能参数晶闸管储KPKK户IGBRf晶体管产器件等效召双稳颉中发器放大器前者最适合开关应用由天曷阳放大区叶无小京3最好无放大区十封装方式Q平板压接式Q模块即散热心X国.单面平双面

13、敢麹好管芯模式大型面式口小型点式第内部结构r单一管芯户务管芯并联单管可靠额定标称电流尸1.57泡涌:标称电流,2卡通态压降QL小23T-电流上升率限制产夕部内部口靠内部,易,% :h.W坏,附表1 SCR 晶闸管与IGBT的局部性能比照附表2 SCR与IGBT的触发、3区动性能比照,.邮晶椿pGBT 晶体管.朝许性能,导通/门极触发损极驱动一| 一致/_广关断,翻康鲤底鳍卮著想简单方便"适用脉冲变压高辉用中F适用二口4驱动隔丽一 I易；-摊J1磊离易不疣二.脉冲驱动卡隔沿卡|电平,|心Wg以2的J-QIGBT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,掩盖其存在的缺乏,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,新型晶闸管的开展速度非常之快, 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