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。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)備的運(yùn)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(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(kāi)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(kāi)關(guān)電源等電力電子領(lǐng)域。
就全控性能而言，IGBT是斬波應(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(duì)現(xiàn)實(shí)，認(rèn)真研究、發(fā)現(xiàn)和解決存在的問(wèn)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。不知道是出于技術(shù)認(rèn)識(shí)問(wèn)題還是商務(wù)目的，近來(lái)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)，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(duì)比，希望能夠并引起討論，還科學(xué)以本來(lái)面目。
一.IGBT的標(biāo)稱電流與過(guò)流能力
1)IGBT的額定電流
目前，IGBT的額定電流（元件標(biāo)稱的電流）是以器件的zui大直流電流標(biāo)稱的，元件實(shí)際允許通過(guò)的電流受安全工作區(qū)的限制而減小，由IGBT安全工作區(qū)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(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，元件發(fā)熱越嚴(yán)重，導(dǎo)通電流越小。
顯然，為了安全，不可能讓元件工作在zui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。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)（例如100us），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zui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：
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(kāi)關(guān)應(yīng)用中是否合理，十分值得探討。但無(wú)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)。
2)IGBT的過(guò)流能力
半導(dǎo)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zui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(guò)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10us，可見(jiàn)IGBT的過(guò)流能力太脆弱了。
承受過(guò)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(guò)流幾乎是不可能的，負(fù)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(hù)畢竟是被動(dòng)和有限的措施，要使器件安全工作，zui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(nèi)部小元件的并聯(lián)，例如，標(biāo)稱電流為600A的IGBT，解剖開(kāi)是8只7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(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，器件的電流迅猛上升超過(guò)定額值，zui終燒毀器件，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)。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(guò)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。
三.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(méi)有高阻放大區(qū).
*，功率半導(dǎo)體器件都是作為開(kāi)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(méi)用，反而起負(fù)面作用。理由是如果電流通過(guò)放大區(qū)，由于該區(qū)的電阻較大，必然引起劇烈的發(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(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，必然經(jīng)過(guò)放大區(qū)引起發(fā)熱，這是包括IGBT在內(nèi)的晶體管在開(kāi)關(guān)應(yīng)用上遜色于晶閘管的原理所在。
四.IGBT的封裝形式與散熱
對(duì)于半導(dǎo)體器件，管芯溫度是zui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○C）條件下才成立的，如果溫度超標(biāo)，器件的性能急劇下降，zui終導(dǎo)致?lián)p壞。
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。
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、逆變模塊，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(lái)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。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.
綜合利弊，當(dāng)電流大于200A（尤其是500A以上）的半導(dǎo)體器件上平板式結(jié)構(gòu)，已經(jīng)是業(yè)內(nèi)共識(shí)，只是IGBT受管芯制作原理的限制，目前無(wú)法制造成大功率芯片，不能采用平板式結(jié)構(gòu)，只好采用模塊式，雖然安裝方便，但散熱性能差不利于可靠性，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。
五.IGBT的并聯(lián)均流問(wèn)題
目前，國(guó)外單管IGBT的zui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IGBTzui大電流標(biāo)稱問(wèn)題，單一器件無(wú)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(wèn)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*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(wèn)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。
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，否則，既使導(dǎo)通特性一致，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)均流，這樣，就給IGBT并聯(lián)造成了極大困難。
六.IGBT的驅(qū)動(dòng)與隔離問(wèn)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。
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)通要求柵有持續(xù)的電流或電壓（電平驅(qū)動(dòng)），這樣，晶體管就不能象晶閘管那樣，通過(guò)采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，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*統(tǒng)計(jì)，由于驅(qū)動(dòng)隔離問(wèn)題而導(dǎo)致故障的幾率約占總故障的15%以上。
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更新時(shí)間：2016-01-26 
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