IGBT在大功率斩波中问题的应用

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