IGBT在大功率斬波中問題的應用

斬波是電力電子控制中的一項變流技術，其實質是直流控制的脈寬調制，因其波形如同斬切般整齊、對稱，故名斬波。斬波在內饋調速控制中占有極為重要的地位，它不僅關系到調速的技術性能，而且直接影響設備的運行安全和可靠性，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體器件，它是由MOSFET(場效應晶體管)與GTR(大功率達林頓晶體管)結合，并由前者擔任驅動，因此具有：驅動功率小，通態(tài)壓降低，開關速度快等優(yōu)點，目前已廣泛應用于變頻調速、開關電源等電力電子領域。

就全控性能而言，IGBT是最適合斬波應用的器件，而且技術極為簡單，幾乎IGBT器件本身就構成了斬波電路。但是要把IGBT斬波形成產品，問題就沒有那么簡單，特別是大功率斬波，如果不面對現實，認真研究、發(fā)現和解決存在的問題，必將事與愿違，斬波設備的可靠性將遭受嚴重的破壞。不知道是出于技術認識問題還是商務目的，近來發(fā)現，某些企業(yè)對IGBT晶體管倍加推崇，而對晶閘管全面否定，顯然，這是不科學的。為了尊重科學和澄清事實，本文就晶閘管和以IGBT為代表的晶體管的性能、特點加以分析和對比，希望能夠并引起討論，還科學以本來面目。

一. IGBT的標稱電流與過流能力

1) IGBT的額定電流

目前，IGBT的額定電流(元件標稱的電流)是以器件的最大直流電流標稱的，元件實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，導通時間越長，元件發(fā)熱越嚴重，導通電流越小。

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上述的電流標稱，實際上降低了元件的電流定額，形成標稱虛高，而能力不足。根據圖1 的特性，當IGBT導通時間較長時(例如100us)，UCE電壓將降低標稱值的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稱標準，IGBT的標稱電流實際僅為同等晶閘管的1/3左右。例如，標稱為300A的IGBT只相當于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，當按：

式中的Ki為電流裕度系數，取Ki=2，實際可以選擇630A標稱的晶閘管。

如果選擇IGBT，則為：

應該選擇3000A的IGBT元件。

IGBT這種沿襲普通晶體管的電流標稱準則，在功率開關應用中是否合理，十分值得探討。但無論結果如何，IGBT的標稱電流在應用時必須大打折扣是不爭的事實。

1) IGBT的過流能力

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

例如，標稱電流為300A元件的峰值電流為600A;而標稱800A元件的峰值電流為1600A。

對比晶閘管,按國標，峰值電流為

峰值電流高達10倍額定有效值電流，而且，過流時間長達10ms，而IGBT的允許峰值電流時間據有關資料介紹僅為10us，可見IGBT的過流能力太脆弱了。

承受過流的能力強弱是衡量斬波工作可靠與否的關鍵，要使電路不發(fā)生過流幾乎是不可能的，負載的變化，工作狀態(tài)切換的過度過程，都將引發(fā)過流和過壓，而過流保護畢竟是被動和有限的措施，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，較大電流的器件實際是內部小元件的并聯，例如，標稱電流為600A的IGBT，解剖開是8只75A元件并聯，由于元件并聯工藝(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

IGBT的簡化等效電路如圖3所示:

圖3 IGBT的等效電路及晶閘管效應