IGBT在大功率斬波中問題的應(yīng)用

斬波是電力電子控制中的一項(xiàng)變流技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是直流控制的脈寬調(diào)制，因其波形如同斬切般整齊、對(duì)稱，故名斬波。斬波在內(nèi)饋調(diào)速控制中占有極為重要的地位，它不僅關(guān)系到調(diào)速的技術(shù)性能，而且直接影響設(shè)備的運(yùn)行安全和可靠性，因此。如何選擇斬波電路和斬波器件十分重要。

IGBT是近代新發(fā)展起來的全控型功率半導(dǎo)體器件，它是由MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)與GTR(大功率達(dá)林頓晶體管)結(jié)合，并由前者擔(dān)任驅(qū)動(dòng)，因此具有：驅(qū)動(dòng)功率小，通態(tài)壓降低，開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速、開關(guān)電源等電力電子領(lǐng)域。

就全控性能而言，IGBT是最適合斬波應(yīng)用的器件，而且技術(shù)極為簡(jiǎn)單，幾乎IGBT器件本身就構(gòu)成了斬波電路。但是要把IGBT斬波形成產(chǎn)品，問題就沒有那么簡(jiǎn)單，特別是大功率斬波，如果不面對(duì)現(xiàn)實(shí)，認(rèn)真研究、發(fā)現(xiàn)和解決存在的問題，必將事與愿違，斬波設(shè)備的可靠性將遭受嚴(yán)重的破壞。不知道是出于技術(shù)認(rèn)識(shí)問題還是商務(wù)目的，近來發(fā)現(xiàn)，某些企業(yè)對(duì)IGBT晶體管倍加推崇，而對(duì)晶閘管全面否定，顯然，這是不科學(xué)的。為了尊重科學(xué)和澄清事實(shí)，本文就晶閘管和以IGBT為代表的晶體管的性能、特點(diǎn)加以分析和對(duì)比，希望能夠并引起討論，還科學(xué)以本來面目。

一. IGBT的標(biāo)稱電流與過流能力

1) IGBT的額定電流

目前，IGBT的額定電流(元件標(biāo)稱的電流)是以器件的最大直流電流標(biāo)稱的，元件實(shí)際允許通過的電流受安全工作區(qū)的限制而減小，由圖1所示的IGBT安全工作區(qū)可見，影響通過電流的因素除了c-e電壓之外，還有工作頻率，頻率越低，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，元件發(fā)熱越嚴(yán)重，導(dǎo)通電流越小。

圖1 IGBT的安全工作區(qū)

顯然，為了安全，不可能讓元件工作在最大電流狀態(tài)，必須降低電流使用，因此，IGBT上述的電流標(biāo)稱，實(shí)際上降低了元件的電流定額，形成標(biāo)稱虛高，而能力不足。根據(jù)圖1 的特性，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)(例如100us)，UCE電壓將降低標(biāo)稱值的1/2左右;如果保持UCE不變，元件的最大集電極電流將降低額定值的2/3。因此，按照晶閘管的電流標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)，IGBT的標(biāo)稱電流實(shí)際僅為同等晶閘管的1/3左右。例如，標(biāo)稱為300A的IGBT只相當(dāng)于100A的SCR(晶閘管)。又如，直流工作電流為500A的斬波電路，如果選擇晶閘管，當(dāng)按：

式中的Ki為電流裕度系數(shù)，取Ki=2，實(shí)際可以選擇630A標(biāo)稱的晶閘管。

如果選擇IGBT，則為：

應(yīng)該選擇3000A的IGBT元件。

IGBT這種沿襲普通晶體管的電流標(biāo)稱準(zhǔn)則，在功率開關(guān)應(yīng)用中是否合理，十分值得探討。但無論結(jié)果如何，IGBT的標(biāo)稱電流在應(yīng)用時(shí)必須大打折扣是不爭(zhēng)的事實(shí)。

1) IGBT的過流能力

半導(dǎo)體元件的過流能力通常用允許的峰值電流IM來衡量，IGBT目前還沒有國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)，按德國(guó)EUPEC、日本三菱等公司的產(chǎn)品參數(shù)，IGBT的峰值電流定為最大集電極電流(標(biāo)稱電流)的2倍，有

例如，標(biāo)稱電流為300A元件的峰值電流為600A;而標(biāo)稱800A元件的峰值電流為1600A。

對(duì)比晶閘管,按國(guó)標(biāo)，峰值電流為

峰值電流高達(dá)10倍額定有效值電流，而且，過流時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10ms，而IGBT的允許峰值電流時(shí)間據(jù)有關(guān)資料介紹僅為10us，可見IGBT的過流能力太脆弱了。

承受過流的能力強(qiáng)弱是衡量斬波工作可靠與否的關(guān)鍵，要使電路不發(fā)生過流幾乎是不可能的，負(fù)載的變化，工作狀態(tài)切換的過度過程，都將引發(fā)過流和過壓，而過流保護(hù)畢竟是被動(dòng)和有限的措施，要使器件安全工作，最終還是要提高器件自身的過流能力。

另外，由于受晶體管制造工藝的限制，IGBT很難制成大電流容量的單管芯，較大電流的器件實(shí)際是內(nèi)部小元件的并聯(lián)，例如，標(biāo)稱電流為600A的IGBT，解剖開是8只75A元件并聯(lián)，由于元件并聯(lián)工藝(焊接)的可靠性較差，使器件較比單一管芯的晶閘管在可靠性方面明顯降低。

二. IGBT的擎住效應(yīng)

IGBT的簡(jiǎn)化等效電路如圖3所示:

圖3 IGBT的等效電路及晶閘管效應(yīng)