IGBT的擎住效应与并联均流问题

1、 HYPERLINK 斩波是电电力电子子控制中中的一项项变流技技术，其其实质是是直流控控制的脉脉宽调制制，因其其波形如如同斩切切般整齐齐、对称称，故名名斩波。斩波在在内馈调调速控制制中占有有极为重重要的地地位，它它不仅关关系到调调速的技技术性能能，而且且直接影影响设备备的运行行安全和和可靠性性，因此此。如何何选择斩斩波电路路和斩波波器件十十分重要要。IGBTT是近代代新发展展起来的的全控型型功率半半导体器器件，它它是由MMOSFFET（场效应应晶体管管）与GTR（大功功率达林林顿晶体体管）结结合，并并由前者者担任驱驱动，因因此具有有：驱动动功率小小，通态态压降低低，开关关速度快快等优点点，目前

2、前已广泛泛应用于于变频调速速、开关关电源等等电力电电子领域域。就全全控性能能而言，IGBBT是最最适合斩斩波应用用的器件件，而且且技术极极为简单单，几乎乎IGBBT器件本本身就构构成了斩斩波电路路。但是是要把IGBBT斩波形形成产品品，问题题就没有有那么简简单，特特别是大大功率斩斩波，如如果不面面对现实实，认真真研究、发现和和解决存存在的问问题，必必将事与与愿违，斩波设设备的可可靠性将将遭受严严重的破破坏。不不知道是是出于技技术认识识问题还还是商务务目的，近来发发现，某某些企业业对IGBBT晶体管管倍加推推崇，而而对晶闸闸管全面面否定，显然，这是不不科学的的。为了了尊重科科学和澄澄清事实实，本

3、文文就晶闸闸管和以以IGBBT为代表的的晶体管管的性能能、特点点加以分分析和对对比，希希望能够够并引起起讨论，还科学学以本来来面目。一. IIGBTT的标称称电流与与过流能能力1) IIGBTT的额定定电流目前前，IGBBT的额定定电流（元件标标称的电电流）是是以器件件的最大大直流电电流标称称的，元元件实际际允许通通过的电电流受安安全工作作区的限限制而减减小，由由图1所示的IGBBT安全工工作区可可见，影影响通过过电流的的因素除除了c-e电压之之外，还还有工作作频率，频率越越低，导导通时间间越长，元件发发热越严严重，导导通电流流越小。图1 IIGBTT的安全全工作区区显然然，为了了安全，不可能

4、能让元件件工作在在最大电电流状态态，必须须降低电电流使用用，因此此，IGBBT上述的的电流标标称，实实际上降降低了元元件的电电流定额额，形成成标称虚虚高，而而能力不不足。根根据图1的特性性，当IGBBT导通时时间较长长时（例例如1000us），UCE电压将将降低标标称值的的1/2左右；如果保保持UCE不变，元件的的最大集集电极电电流将降降低额定定值的2/3。因此此，按照照晶闸管管的电流流标称标标准，IGBBT的标称称电流实实际仅为为同等晶晶闸管的的1/3左右。例如，标称为为3000A的IGBBT只相当当于1000A的的SCR（晶闸闸管）。又如，直流工工作电流流为5000A的的斩波电电路，如如果

5、选择择晶闸管管，当按按：式中中的Ki为电流流裕度系系数，取取Ki=2，实际际可以选选择6300A标称的的晶闸管管。如果果选择IGBBT，则为为：应该该选择330000A的IGBBT元件。IGBTT这种沿沿袭普通通晶体管管的电流流标称准准则，在在功率开开关应用用中是否否合理，十分值值得探讨讨。但无无论结果果如何，IGBBT的标称称电流在在应用时时必须大大打折扣扣是不争争的事实实。1) IIGBTT的过流流能力半导导体元件件的过流流能力通通常用允允许的峰峰值电流流IM来衡量量，IGBBT目前还还没有国国际通用用的标准准，按德德国EUPPEC、日本本三菱等等公司的的产品参参数，IGBBT的峰值值电流

6、定定为最大大集电极极电流（标称电电流）的的2倍，有有例如如，标称称电流为为3000A元件的的峰值电电流为6600AA；而标标称8000A元元件的峰峰值电流流为16000A。对比比晶闸管管,按国标标，峰值值电流为为峰值值电流高高达10倍额定定有效值值电流，而且，过流时时间长达达10mss，而IGBBT的允许许峰值电电流时间间据有关关资料介介绍仅为为10uus，可见IGBBT的过流流能力太太脆弱了了。承受受过流的的能力强强弱是衡衡量斩波波工作可可靠与否否的关键键，要使使电路不不发生过过流几乎乎是不可可能的，负载的的变化，工作状状态切换换的过度度过程，都将引引发过流流和过压压，而过过流保护护毕竟是是

7、被动和和有限的的措施，要使器器件安全全工作，最终还还是要提提高器件件自身的的过流能能力。另外外，由于于受晶体体管制造造工艺的的限制，IGBBT很难制制成大电电流容量量的单管管芯，较较大电流流的器件件实际是是内部小小元件的的并联，例如，标称电电流为6000A的IGBBT，解剖剖开是8只75A元件并并联，由由于元件件并联工工艺（焊焊接）的的可靠性性较差，使器件件较比单单一管芯芯的晶闸闸管在可可靠性方方面明显显降低。二. IIGBTT的擎住住效应IGBTT的简化化等效电电路如图图3所示:图3 IIGBTT的等效效电路及及晶闸管管效应其中中的NPN晶体管管和体区区短路电电阻Rbbr都是因因工艺而而寄生

8、形形成的，这样，主PNP晶体管管与寄生生NPN晶体管管形成了了寄生的的晶闸管管，当器器件的集集电极电电流足够够大时，在电阻阻Rbr上产生生正偏电电压将导导致寄生生晶体管管导通，造成寄寄生晶闸闸管导通通，IGBBT的栅极极失去控控制，器器件的电电流迅猛猛上升超超过定额额值，最最终烧毁毁器件，这种现现象称为为擎住效效应。IGBBT存在静静态和动动态两种种擎住效效应，分分别由导导通时的的电流和和关断时时的电压压过大而而引起，要在实实践中根根本避免免擎住效效应是很很困难的的，这在在某种程程度大大大影响了了IGBBT的可靠靠性。三. IIGBTT的高阻阻放大区区“晶体管管是一种种放大器器”，ABB公司的

9、的半导体体专家卡卡罗尔在在文献1中对晶晶体管给给出了中中肯*价。晶晶体管与与晶闸管管的本质质区别在在于：晶晶体管具具有放大大功能，器件存存在导通通、截止止和放大大三个工工作区，而放大大区的载载流子处处于非饱饱和状态态，故放放大区的的电阻远远高于导导通区；晶闸管管是晶体体管的正正反馈组组合，器器件只存存在导通通和截止止两个工工作区，没有高高阻放大大区。众所所周知，功率半半导体器器件都是是作为开开关使用用的，有有用的工工作状态态只有导导通和截截止，放放大状态态非但没没用，反反而起负负面作用用。理由由是如果果电流通通过放大大区，由由于该区区的电阻阻较大，必然引引起剧烈烈的发热热，导致致器件烧烧毁。I

10、GBBT从属于于晶体管管，同样样存在高高阻放大大区，器器件在作作开关应应用时，必然经经过放大大区引起起发热，这是包包括IGBBT在内的的晶体管管在开关关应用上上逊色于于晶闸管管的原理理所在。图4a晶晶闸管的的PNPPN结构与与等效电电路四. IIGBTT的封装装形式与与散热对于于半导体体器件，管芯温温度是最最重要的的可靠条条件，几几乎所有有的技术术参数值值都是在在允许温温度（通通常为120140C）条件件下才成成立的，如果温温度超标标，器件件的性能能急剧下下降，最最终导致致损坏。半导导体器件件的封装装形式是是为器件件安装和和器件散散热服务务的。定定额2000A以上的的器件，目前主主要封装装形式

11、有有模块式式和平板板压接式式两种，螺栓式式基本已已经淘汰汰。模块块式结构构多用于于将数个个器件整整合成基基本变流流电路，例如，整流、逆变模模块，具具有体积积小，安安装方便便，结构构简单等等优点，缺点是是器件只只能单面面散热，而且要要求底板板既要绝绝缘又要要导热性性能好（实现起起来很困困难），只适用用于中小小功率的的单元或或器件。平板板式结构构主要用用于单一一的大电电流器件件，是将将器件和和双面散散热器紧固固在一起起，散热热器既作作散热又又作电极极之用。平板式式的优点点是散热热性能好好，器件件工作安安全、可可靠。缺缺点是安安装不便便，功率率单元结结构复杂杂，维护护不如模模块式方方便。综合合利弊，

12、当电流流大于2000A（尤其其是5000A以上）的半导导体器件件上首选选平板式式结构，已经是是业内共共识，只只是IGBBT受管芯芯制作原原理的限限制，目目前无法法制造成成大功率率芯片，不不能采用用平板式式结构，只好采采用模块块式，虽虽然安装装方便，但散热热性能差差不利于于可靠性性，这是是不争的的事实。五. IIGBTT的并联联均流问问题目前前，国外外单管IGBBT的最大容容量为20000A/25000V，实际际的商品品器件容容量为12000A/24000V，根据据大功率率斩波的的需要，通常，额定工工作电流流为4000A15500AA，考虑虑到器件件工作安安全，必必须留有有2倍左右右的电流流裕度

13、，再结合合本文前前述的IGBBT最大电电流标称称问题，单一器器件无法法满足要要求，必必须采用用器件并并联。半半导体器器件并联联存在的的均流问问题是影影响可靠靠性的关关键，由由于受离离散性的的限制，并联器器件的参参数不可可能完全全一致，于是导导致并联联器件的的电流不不均，此此时的1+1小于2，特别别是严重重不均流流时，通通态电流流大的器器件将损损坏，这这是半导导体器件件并联中中老大难难的问题题，为此此，要提提高斩波波包括其其它电力力电子设设备的可可靠性，应该尽尽量避免免器件并并联，而而采用单单管大电电流器件件。从理理论上讲讲，IGBBT在大电电流状态态具有正正温度系系数，可可以改善善均流性性能，

14、但但是毕竟竟有限，加上可可控半导导体器件件的均流流还要考考虑驱动动一致性性，否则则，既使使导通特特性一致致，也无无法实现现均流，这样，就给IGBBT并联造造成了极极大困难难。六. IIGBTT的驱动动与隔离离问题可控控半导体体器件都都存在控控制部分分，晶闸闸管和晶晶体管也也不例外外。为了了提高可可靠性，要求驱驱动或触触发部分分必须和和主电路路严格隔隔离，两两者不能能有电的的联系。与晶晶闸管的的脉冲沿沿触发特特性不同同（沿驱驱动），IGBBT等晶体体管的导导通要求求栅极具具有持续续的电流流或电压压（电平平驱动），这样样，晶体体管就不不能象晶晶闸管那那样，通通过采用用脉冲变变压器实实现隔离离，驱动

15、动电路必必须是有有源的，电路较较为复杂杂，而且且包含驱驱动电源源在内，要和主主电路有有高耐压压的隔离离。实践践证明，晶体管管的驱动动隔离是是导致系系统可靠靠性降低低不可忽忽略的因因素，据据不完全全统计，由于驱驱动隔离离问题而而导致故故障的几几率约占占总故障障的15%以上。七.结束束语附表表1、2总结了了晶闸管管和IGBBT部分性性能的对对比：附表表1 SSCR（晶闸闸管）与与IGBBT的部分分性能对对比IGBTT斩波受受器件容容量和晶晶体管特特性的限限制，在在较大功功率（5000KW以上）的内馈馈调速应应用上还还存在问问题，其其中主要要表现在在承受过过流、过过压的可可靠性方方面。不不能以IGBBT的全控控优点，掩盖其其存在的的不足，科学实实践需要要科学的的态度。在大大功率开开关应用用的可靠靠性方面面，晶闸闸管要优优于晶体体管，这这是半导导体器件件原理所所决定的的。目前前，新型型晶闸管管的发展展速度非非常之快快，目的的是解决决普通晶晶闸管存存在无法法门极关关断的缺缺点，国国外（目目前仅有有ABB公司）最新推推出的TGO与MOSSFETT的组