【導(dǎo)讀】斬波是電力電子控制中的一項變流技術(shù),其實質(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。
斬波是電力電子控制中的一項變流技術(shù),其實質(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(dǎo)體器件,它是由MOSFET(場效應(yīng)晶體管)與GTR(大功率達林頓晶體管)結(jié)合,并由前者擔(dān)任驅(qū)動,因此具有:驅(qū)動功率小,通態(tài)壓降低,開關(guān)速度快等優(yōu)點,目前已廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速、開關(guān)電源等電力電子領(lǐng)域。
就全控性能而言,IGBT是適合斬波應(yīng)用的器件,而且技術(shù)極為簡單,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,問題就沒有那么簡單,特別是大功率斬波,如果不面對現(xiàn)實,認真研究、發(fā)現(xiàn)和解決存在的問題,必將事與愿違,斬波設(shè)備的可靠性將遭受嚴重的破壞。不知道是出于技術(shù)認識問題還是商務(wù)目的,近來發(fā)現(xiàn),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,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(xué)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(dǎo)通時間越長,元件發(fā)熱越嚴重,導(dǎo)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(jù)圖1的特性,當(dāng)IGBT導(dǎo)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(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:
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(jù)有關(guān)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(guān)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,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(nèi)部小元件的并聯(lián),例如,標稱電流為600A的IGBT,解剖開是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(yīng)
IGBT的簡化等效電路如圖3所示:
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,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定額值,終燒毀器件,這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)。IGBT存在靜態(tài)和動態(tài)兩種擎住效應(yīng),分別由導(dǎo)通時的電流和關(guān)斷時的電壓過大而引起,要在實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)體卡羅爾在文獻1中對晶體管給出了中肯評價。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)通和截止兩個工作區(qū),沒有高阻放大區(qū)。
眾所周知,功率半導(dǎo)體器件都是作為開關(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)非但沒用,反而起負面作用。理由是如果電流通過放大區(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),器件在作開關(guān)應(yīng)用時,必然經(jīng)過放大區(qū)引起發(fā)熱,這是包括IGBT在內(nèi)的晶體管在開關(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
對于半導(dǎo)體器件,管芯溫度是重要的可靠條件,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,器件的性能急劇下降,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)簡單等優(yōu)點,缺點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(實現(xiàn)起來很困難),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)點是散熱性能好,器件工作安全、可靠。缺點是安裝不便,功率單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維護不如模塊式方便。
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,只是IGBT受管芯制作原理的限制,目前無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,這是不爭的事實。
五. IGBT的并聯(lián)均流問題
目前,國外單管IGBT的容量為2000A/2500V,實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IGBT電流標稱問題,單一器件無法滿足要求,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)不可能完全一致,于是導(dǎo)致并聯(lián)器件的電流不均,此時的1+1小于2,特別是嚴重不均流時,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)動一致性,否則,既使導(dǎo)通特性一致,也無法實現(xiàn)均流,這樣,就給IGBT并聯(lián)造成了極大困難。
六. IGBT的驅(qū)動與隔離問題
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)動或觸發(fā)部分必須和主電路嚴格隔離,兩者不能有電的聯(lián)系。
與晶閘管的脈沖沿觸發(fā)特性不同(沿驅(qū)動),IGBT等晶體管的導(dǎo)通要求柵極具有持續(xù)的電流或電壓(電平驅(qū)動),這樣,晶體管就不能象晶閘管那樣,通過采用脈沖變壓器實現(xiàn)隔離,驅(qū)動電路必須是有源的,電路較為復(fù)雜,而且包含驅(qū)動電源在內(nèi),要和主電路有高耐壓的隔離。實踐證明,晶體管的驅(qū)動隔離是導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低不可忽略的因素,據(jù)不完全統(tǒng)計,由于驅(qū)動隔離問題而導(dǎo)致故障的幾率約占總故障的15%以上。
七. 結(jié)束語
附表1、2總結(jié)了晶閘管和IGBT部分性能的對比:
附表1 SCR(晶閘管)與IGBT的部分性能對比
IGBT斬波受器件容量和晶體管特性的限制,在較大功率(500KW以上)的內(nèi)饋調(diào)速應(yīng)用上還存在問題,其中主要表現(xiàn)在承受過流、過壓的可靠性方面。不能以IGBT的全控優(yōu)點,掩蓋其存在的不足,科學(xué)實踐需要科學(xué)的態(tài)度。
在大功率開關(guān)應(yīng)用的可靠性方面,晶閘管要優(yōu)于晶體管,這是半導(dǎo)體器件原理所決定的。目前,新型晶閘管的發(fā)展速度非常之快,目的是解決普通晶閘管存在無法門極關(guān)斷的缺點,國外(目前僅有ABB公司)推出的TGO與MOSFET的組合——集成門極換向晶閘管IGCT是較為理想的晶閘管器件,為適合大功率斬波應(yīng)用。
IGCT和IGBT目前都存在依賴進口和價格昂貴的問題,受其影響,給我國的斬波內(nèi)饋調(diào)速應(yīng)用造成不小的困難,維修費用高,器件參數(shù)把控難,供貨時間長等因素都應(yīng)該在產(chǎn)品化時慎重考慮。
盡管普通晶閘管存在關(guān)斷困難的缺點,如果能夠加以解決,仍然是近期大功率斬波應(yīng)用的主導(dǎo)方向,理由是普通晶閘管的其它優(yōu)點是晶體管無法替代的。
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