IGBT與晶閘管在大功率斬波電路中的性能比較

孫文革

（新疆職業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，烏魯木齊830013）

IGBT與晶閘管在大功率斬波電路中的性能比較

孫文革

（新疆職業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，烏魯木齊830013）

IGBT是近代新發(fā)展起來的全控型功率半導(dǎo)體器件，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。通過對(duì)IGBT工作特性的詳細(xì)分析，總結(jié)了IGBT應(yīng)用中的并聯(lián)、驅(qū)動(dòng)與隔離等問題，將IGBT與晶閘管應(yīng)用在大功率斬波電路中的性能進(jìn)行了詳細(xì)分析和對(duì)比，指出了近期晶閘管在大功率斬波電路中的無可替代性。

絕緣柵雙極型晶體管；晶閘管；斬波電路；大容量

1 引 言

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［1］。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)備運(yùn)行的安全和可靠性。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［2］。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)，只對(duì)晶閘管和以IGBT為代表的晶體管性能、特點(diǎn)加以分析和對(duì)比，希望能夠引起討論，還科學(xué)以本來面目。

2 IGBT的標(biāo)稱電流與過流能力

2.1 IGBT的額定電流

目前，IGBT的額定電流（元件標(biāo)稱電流）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?。?］。

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特性，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)（例如100μs），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：

圖1 IGBT的安全工作區(qū)

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)［4］。

2.2 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10μs，可見IGBT的過流能力非常脆弱。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)切換的過渡過程，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［5］。

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)［6］。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。

3 IGBT的擎住效應(yīng)

IGBT的簡(jiǎn)化等效電路如圖2所示。

1949年北平解放后，金毓黻開始自覺閱讀馬克思主義論著，并主動(dòng)交往馬克思主義史家，進(jìn)而對(duì)唯物史觀的認(rèn)知程度不斷加深。

圖2 IGBT的等效電路及晶閘管效應(yīng)

其中的NPN晶體管和體區(qū)短路電阻Rbr都是因工藝而寄生形成的，這樣，主PNP晶體管與寄生NPN晶體管形成了寄生的晶閘管。當(dāng)器件的集電極電流足夠大時(shí)，在電阻Rbr上產(chǎn)生正偏電壓將導(dǎo)致寄生晶體管導(dǎo)通，造成寄生晶閘管導(dǎo)通，IGBT的柵極失去控制，器件電流迅猛上升超過定額值，最終燒毀器件，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)［7］。IGBT存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種擎住效應(yīng)，分別由導(dǎo)通時(shí)的電流和關(guān)斷時(shí)的電壓過大而引起，要在實(shí)踐中根本避免擎住效應(yīng)是很困難的，這在某種程度大大影響了IGBT的可靠性［8］。

4 IGBT的高阻放大區(qū)

“晶體管是一種放大器”，ABB公司的半導(dǎo)體專家卡羅爾在文獻(xiàn)1中對(duì)晶體管給出了中肯評(píng)價(jià)。晶體管與晶閘管的本質(zhì)區(qū)別在于：晶體管具有放大功能，器件存在導(dǎo)通、截止和放大三個(gè)工作區(qū)，而放大區(qū)的載流子處于非飽和狀態(tài)，故放大區(qū)的電阻遠(yuǎn)高于導(dǎo)通區(qū)；晶閘管是晶體管的正反饋組合，器件只存在導(dǎo)通和截止兩個(gè)工作區(qū)，沒有高阻放大區(qū)［9］。

眾所周知，功率半導(dǎo)體器件都是作為開關(guān)使用的，有用的工作狀態(tài)只有導(dǎo)通和截止，放大狀態(tài)非但沒用，反而起負(fù)面作用。理由是如果電流通過放大區(qū)，由于該區(qū)的電阻較大，必然引起劇烈發(fā)熱，導(dǎo)致器件燒毀。IGBT從屬于晶體管，同樣存在高阻放大區(qū)，器件在作開關(guān)應(yīng)用時(shí)，必然經(jīng)過放大區(qū)引起發(fā)熱，這是包括IGBT在內(nèi)的晶體管在開關(guān)應(yīng)用上遜色于晶閘管的原因所在［10］。

圖3 晶閘管的PNPN結(jié)構(gòu)與等效電路

5 IGBT的封裝形式與散熱

對(duì)于半導(dǎo)體器件，管芯溫度是最重要的可靠條件，幾乎所有的技術(shù)參數(shù)值都是在允許溫度（通常為120℃-140℃）條件下才成立的，如果溫度超標(biāo)，器件的性能急劇下降，最終導(dǎo)致?lián)p壞［11］。

半導(dǎo)體器件的封裝形式是為器件安裝和器件散熱服務(wù)的。定額200A以上的器件，目前主要封裝形式有模塊式和平板壓接式兩種，螺栓式基本已經(jīng)淘汰［12］。模塊式結(jié)構(gòu)多用于將數(shù)個(gè)器件整合成基本變流電路，例如整流和逆變模塊，它們具有體積小、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是器件只能單面散熱，而且要求底板既要絕緣又要導(dǎo)熱性能好（實(shí)現(xiàn)起來很困難），只適用于中小功率的單元或器件。

平板式結(jié)構(gòu)主要用于單一的大電流器件，是將器件和雙面散熱器緊固在一起，散熱器既作散熱又作電極之用［13-14］。平板式的優(yōu)點(diǎn)是散熱性能好，器件工作安全、可靠。缺點(diǎn)是安裝不便，功率單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不如模塊式方便。

6 IGBT的并聯(lián)均流問題

目前，國(guó)外單管IGBT的最大容量為2000A／2500V，實(shí)際的商品器件容量為1200A／2400V。根據(jù)大功率斬波的需要，通常，額定工作電流為400A——1500A，考慮到器件工作安全，必須留有2倍左右的電流裕度，再結(jié)合本文前述的IGBT最大電流標(biāo)稱問題，單一器件無法滿足要求，必須采用器件并聯(lián)。半導(dǎo)體器件并聯(lián)存在的均流問題是影響可靠性的關(guān)鍵，由于受離散性的限制，并聯(lián)器件的參數(shù)不可能完全一致，于是導(dǎo)致并聯(lián)器件的電流不均，此時(shí)的1＋1小于2，特別是嚴(yán)重不均流時(shí)，通態(tài)電流大的器件將損壞，這是半導(dǎo)體器件并聯(lián)中老大難的問題。為此，要提高斬波包括其它電力電子設(shè)備的可靠性，應(yīng)該盡量避免器件并聯(lián)，而采用單管大電流器件［15］。

從理論上講，IGBT在大電流狀態(tài)具有正溫度系數(shù)，可以改善均流性能，但是畢竟有限，加上可控半導(dǎo)體器件的均流還要考慮驅(qū)動(dòng)一致性［16］，否則，即使導(dǎo)通特性一致，也無法實(shí)現(xiàn)均流，這樣，就給IGBT并聯(lián)造成了極大困難。

7 IGBT的驅(qū)動(dòng)與隔離問題

可控半導(dǎo)體器件都存在控制部分，晶閘管和晶體管也不例外。為了提高可靠性，要求驅(qū)動(dòng)或觸發(fā)部分必須和主電路嚴(yán)格隔離，兩者不能有電的聯(lián)系［17］。

與晶閘管的脈沖沿觸發(fā)特性不同（沿驅(qū)動(dòng)），IGBT等晶體管的導(dǎo)通要求柵極具有持續(xù)的電流或電壓（電平驅(qū)動(dòng)），這樣，晶體管就不能像晶閘管那樣，通過采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)隔離［18］，驅(qū)動(dòng)電路必須是有源的，電路較為復(fù)雜，而且包含驅(qū)動(dòng)電源在內(nèi)，要和主電路有高耐壓的隔離。實(shí)踐證明，晶體管的驅(qū)動(dòng)隔離是導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低不可忽略的因素，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由于驅(qū)動(dòng)隔離問題而導(dǎo)致故障的幾率約占總故障的15%以上。

表1和表2總結(jié)了晶閘管和IGBT部分性能的對(duì)比。

8 結(jié)束語

IGBT斬波受器件容量和晶體管特性的限制，在較大功率（500kW以上）的內(nèi)饋調(diào)速應(yīng)用上還存在問題，其中主要表現(xiàn)在承受過流、過壓的可靠性方面。不能以IGBT的全控優(yōu)點(diǎn)，掩蓋其存在的不足，科學(xué)實(shí)踐需要科學(xué)的態(tài)度。

在大功率開關(guān)應(yīng)用的可靠性方面，晶閘管要優(yōu)于晶體管，這是半導(dǎo)體器件原理所決定的。目前，新型晶閘管的發(fā)展速度非常之快，目的是解決普通晶閘管存在無法門極關(guān)斷的缺點(diǎn)［19］，國(guó)外（目前僅有ABB公司）最新推出的TGO與MOSFET的組合——集成門極換向晶閘管IGCT是較為理想的晶閘管器件，最為適合大功率斬波應(yīng)用。

表1 SCR（晶閘管）與IGBT部分性能對(duì)比

表2 SCR與IGBT的觸發(fā)、驅(qū)動(dòng)性能對(duì)比

IGCT和IGBT目前都存在依賴進(jìn)口和價(jià)格昂貴的問題，受其影響，給我國(guó)的斬波內(nèi)饋調(diào)速應(yīng)用造成不小的困難，維修費(fèi)用高，器件參數(shù)把控難，供貨時(shí)間長(zhǎng)等因素都應(yīng)該在產(chǎn)品化時(shí)慎重考慮。

盡管普通晶閘管存在關(guān)斷困難的缺點(diǎn)，但如果能夠加以解決，仍然是近期大功率斬波應(yīng)用的主導(dǎo)方向，理由是普通晶閘管的優(yōu)點(diǎn)是其它半導(dǎo)體器件無法替代的。

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Performance Comparison of IGBT and SCR Used in Large Scale Chopper Circuit

SUNWen-ge
（Department of Electronic Engineering，Xinjiang Vocational University，Urmqi830013，China）

IGBT is a sortof fully controlled power semiconductor devices developed lately，which has been widely used in the field of variable frequency speed control，switching power supply，etc.The problems such as parallel connection，driving and insulation in application of IGBT are reviewed and the performance of IGBT and SCR used in Large Scale Chopper Circuit is analyzed and contrasted in detail.The result shows that SCR is can not be substituted in large scale chopper circuit in the near future.

IGBT；SCR；Chopper circuit；High capacity

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.009

TN342

：A

：1002-2279（2014）04-0026-04

孫文革（1967-），男，甘肅人，實(shí)驗(yàn)師，主研方向：電子技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)。

2013-12-23