IGBT在大功率斩波中问题的应用

IGBT在大功率斩波中问题的应用——IGBT特性与晶闸管特性对比分析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1IGBT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。DC100μs10μs如果选择IGBT，则为：Im=3KiId=3×2×500=3000A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IM=2IC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IM=10I=15.7IT∣t=10ms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3IGBT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评价。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。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总结了晶闸管（SCR）和IGBT部分性能的对比：器件性能晶闸管（KPKK）IGBT（晶体管）结论器件等效双稳态触发器放大器前者最适合开关应用有无高阻放大区无有最好无放大区封装方式平板压接式模块式散热双面单面双面散热好管芯模式大型面式小型点式内部结构单一管芯多管芯并联单管可靠额定/标称电流1.570.5-1浪涌/标称电流10-152通态压降1.5-22.5-4器件性能晶闸管（KPKK）IGBT（晶体管）结论电流上升率控制外部内部靠内部，易发热损坏导通门极触发栅极驱动一致关断阳极反偏栅极反偏后者优，简单方便适用脉冲变压器适用不适用驱动隔离易难脉冲驱动前沿电平附表1IGBT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贵的问题，受其影响，给我国的斩波内馈调速应用造成不小的困难，维修费用高，器件参数把控难，供货时间长等因素都应该在产品化时慎重考虑。尽管普通晶闸管存在关断困难的缺点，如果能够加以解决，仍然是近期大功率斩波应用的主导方向，理由是普通晶闸管的其它优点是晶体管无法替代的。