IGBT在大功率斬波中問(wèn)題的應用

斬波是電力電子控制中的一項變流技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是直流控制的脈寬調制，因其波形如同斬切般整齊、對稱(chēng)，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(guān)系到調速的技術(shù)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(lái)的全控型功率半導體器件，它是由MOSFET(場(chǎng)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(dòng)，因此具有：驅動(dòng)功率小，通態(tài)壓降低，開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應用于變頻調速、開(kāi)關(guān)電源等電力電子領(lǐng)域。

就全控性能而言，IGBT是最適合斬波應用的器件，而且技術(shù)極為簡(jiǎn)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(chǎn)品，問(wèn)題就沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，特別是大功率斬波，如果不面對現實(shí)，認真研究、發(fā)現和解決存在的問(wèn)題，必將事與愿違，斬波設備的可靠性將遭受?chē)乐氐钠茐?。不知道是出于技術(shù)認識問(wèn)題還是商務(wù)目的，近來(lái)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(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)加以分析和對比，希望能夠并引起討論，還科學(xué)以本來(lái)面目。

一. IGBT的標稱(chēng)電流與過(guò)流能力

1) IGBT的額定電流

目前，IGBT的額定電流(元件標稱(chēng)的電流)是以器件的最大直流電流標稱(chēng)的，元件實(shí)際允許通過(guò)的電流受安全工作區的限制而減小，由圖1所示的IGBT安全工作區可見(jiàn)，影響通過(guò)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(shí)間越長(cháng)，元件發(fā)熱越嚴重，導通電流越小。

圖1 IGBT的安全工作區

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(chēng)，實(shí)際上降低了元件的電流定額，形成標稱(chēng)虛高，而能力不足。根據圖1 的特性，當IGBT導通時(shí)間較長(cháng)時(shí)(例如100us)，UCE電壓將降低標稱(chēng)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(chēng)標準，IGBT的標稱(chēng)電流實(shí)際僅為同等晶閘管的1/3左右。例如，標稱(chēng)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(shí)際可以選擇630A標稱(chēng)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(chēng)準則，在功率開(kāi)關(guān)應用中是否合理，十分值得探討。但無(wú)論結果如何，IGBT的標稱(chēng)電流在應用時(shí)必須大打折扣是不爭的事實(shí)。

1) IGBT的過(guò)流能力

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

例如，標稱(chēng)電流為300A元件的峰值電流為600A;而標稱(chēng)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(guò)流時(shí)間長(cháng)達10ms，而IGBT的允許峰值電流時(shí)間據有關(guān)資料介紹僅為10us，可見(jiàn)IGBT的過(guò)流能力太脆弱了。

承受過(guò)流的能力強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(guò)流幾乎是不可能的，負載的變化，工作狀態(tài)切換的過(guò)度過(guò)程，都將引發(fā)過(guò)流和過(guò)壓，而過(guò)流保護畢竟是被動(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(guò)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)際是內部小元件的并聯(lián)，例如，標稱(chēng)電流為600A的IGBT，解剖開(kāi)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

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