IGBT的擎住效应与并联均流问题

1、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MOSFE（T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 IGB

2、T 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

3、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 1 IGBT 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

4、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。 如果选择 IGBT，则为：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， I

5、GBT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

6、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。. IGBT 的擎住效应IGBT的简化等效电路如图 3所示 :图 3 IGBT 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

7、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 * 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

8、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

9、温度（通常为 120140C）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。平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、

10、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为 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 IG

11、BT 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。

12、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 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 以上。七. 结束语附表 1、2 总结了晶闸管和 IGBT 部分性能的对比：附表 1 SCR（晶闸管）与 IGBT 的部分性能对比IGBT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 MOSF