IGBT在大功率斩波中问题的应用

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:

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的栅极失去控制，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。

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。

来源：维库开发网