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(diǎn),，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(shí)，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(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(shí)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(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。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(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(shí),。
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(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(hù)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(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)
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,，最終燒毀器件,，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(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中對晶體管給出了中肯*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(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(fù)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。
圖4a 晶閘管的PNPN結(jié)構(gòu)與等效電路
四. IGBT的封裝形式與散熱
對于半導(dǎo)體器件,，管芯溫度是最重要的可靠條件,，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,，最終導(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(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)體器件上首選平板式結(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(shí)。
五. IGBT的并聯(lián)均流問題
目前,，國外單管IGBT的最大容量為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IGBT最大電流標(biāo)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(yán)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(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(yán)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(shí)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(shí)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(jì),，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(diǎn),，掩蓋其存在的不足，科學(xué)實(shí)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(diǎn),，國外（目前僅有ABB公司）最新推出的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,，最為適合大功率斬波應(yīng)用。
IGCT和IGBT目前都存在依賴進(jìn)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(fèi)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(diǎn),，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(diǎn)是晶體管無法替代的。