IGBT在大功率斩波中问题的应用

2012-11-09 11:44:47来源: 维库开发网


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MOSFET(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IGBT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。

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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:

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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:

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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,IGBT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

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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

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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。

二. IGBT的擎住效应

IGBT的简化等效电路如图3所示:

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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。

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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温度(通常为120○——140○C)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、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IGBT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。

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(电平驱动),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15%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:

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附表1 SCR(晶闸管)与IGBT的部分性能对比

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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MOSFET的组合——集成门极换向晶闸管IGCT是较为理想的晶闸管器件,最为适合大功率斩波应用。

IGCT和IGBT目前都存在依赖进口和价格昂贵的问题,受其影响,给我国的斩波内馈调速应用造成不小的困难,维修费用高,器件参数把控难,供货时间长等因素都应该在产品化时慎重考虑。

尽管普通晶闸管存在关断困难的缺点,如果能够加以解决,仍然是近期大功率斩波应用的主导方向,理由是普通晶闸管的其它优点是晶体管无法替代的。


关键字:IGBT

编辑:Gem 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1109/article_17571.html
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