IGBT在大功率斬波中問題的應(yīng)用
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。
本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/185591.htmIGBT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(dá)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是最適合斬波應(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(rèn)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(yán)重的破壞。不知道是出于技術(shù)認(rèn)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(biāo)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(biāo)稱的電流)是以器件的最大直流電流標(biāo)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(yán)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最大電流狀態(tài),必須降低電流使用,因此,IGBT上述的電流標(biāo)稱,實際上降低了元件的電流定額,形成標(biāo)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(biāo)稱值的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(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn),IGBT的標(biāo)稱電流實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,在功率開關(guān)應(yīng)用中是否合理,十分值得探討。但無論結(jié)果如何,IGBT的標(biāo)稱電流在應(yīng)用時必須大打折扣是不爭的事實。
1) IGBT的過流能力
半導(dǎo)體元件的過流能力通常用允許的峰值電流IM來衡量,IGBT目前還沒有國際通用的標(biāo)準(zhǔn),按德國EUPEC、日本三菱等公司的產(chǎn)品參數(shù),IGBT的峰值電流定為最大集電極電流(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。
對比晶閘管,按國標(biāo),峰值電流為

峰值電流高達(dá)10倍額定有效值電流,而且,過流時間長達(dá)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(fù)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,最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(biāo)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:

圖3 IGBT的等效電路及晶閘管效應(yīng)
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