IGBT在大功率斩波中问题的应用

"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