斬波是電力電子控制中的一項變流技術,，其實質是直流控制的脈寬調制,，因其波形如同斬切般整齊、對稱,，故名斬波,。斬波在內饋調速控制中占有極為重要的地位，它不僅關系到調速的技術性能,，而且直接影響設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體器件,，它是由MOSFET（場效應晶體管）與GTR（大功率達林頓晶體管）結合，并由前者擔任驅動,，因此具有：驅動功率小,，通態(tài)壓降低，開關速度快等優(yōu)點,，目前已廣泛應用于變頻調速,、開關電源等電力電子領域。

就全控性能而言,，IGBT是最適合斬波應用的器件,，而且技術極為簡單，幾乎IGBT器件本身就構成了斬波電路,。但是要把IGBT斬波形成產品,，問題就沒有那么簡單，特別是大功率斬波,，如果不面對現實,，認真研究,、發(fā)現和解決存在的問題，必將事與愿違,，斬波設備的可靠性將遭受嚴重的破壞,。不知道是出于技術認識問題還是商務目的，近來發(fā)現,，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,，這是不科學的,。為了尊重科學和澄清事實，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）是以器件的最大直流電流標稱的，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,，導通時間越長，元件發(fā)熱越嚴重,，導通電流越小,。

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,。根據圖1 的特性，當IGBT導通時間較長時（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,，當按：

式中的Ki為電流裕度系數，取Ki=2,，實際可以選擇630A標稱的晶閘管,。

如果選擇IGBT，則為：

應該選擇3000A的IGBT元件,。

IGBT這種沿襲普通晶體管的電流標稱準則,，在功率開關應用中是否合理，十分值得探討,。但無論結果如何，IGBT的標稱電流在應用時必須大打折扣是不爭的事實,。

1) IGBT的過流能力

半導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準，按德國EUPEC,、日本三菱等公司的產品參數,，IGBT的峰值電流定為最大集電極電流（標稱電流）的2倍，有

例如,，標稱電流為300A元件的峰值電流為600A,；而標稱800A元件的峰值電流為1600A。

對比晶閘管,按國標,，峰值電流為

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有關資料介紹僅為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,，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部小元件的并聯,，例如，標稱電流為600A的IGBT,，解剖開是8只75A元件并聯,，由于元件并聯工藝（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

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

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,，當器件的集電極電流足夠大時,，在電阻Rbr上產生正偏電壓將導致寄生晶體管導通，造成寄生晶閘管導通,，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,，這種現象稱為擎住效應,。IGBT存在靜態(tài)和動態(tài)兩種擎住效應，分別由導通時的電流和關斷時的電壓過大而引起,，要在實踐中根本避免擎住效應是很困難的,，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公司的半導體專家卡羅爾在文獻1中對晶體管給出了中肯*價,。晶體管與晶閘管的本質區(qū)別在于：晶體管具有放大功能，器件存在導通,、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)的電阻遠高于導通區(qū),；晶閘管是晶體管的正反饋組合,，器件只存在導通和截止兩個工作區(qū)，沒有高阻放大區(qū),。

眾所周知,，功率半導體器件都是作為開關使用的，有用的工作狀態(tài)只有導通和截止,，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),，器件在作開關應用時，必然經過放大區(qū)引起發(fā)熱,，這是包括IGBT在內的晶體管在開關應用上遜色于晶閘管的原理所在,。

圖4a 晶閘管的PNPN結構與等效電路

四. IGBT的封裝形式與散熱

對于半導體器件，管芯溫度是最重要的可靠條件,，幾乎所有的技術參數值都是在允許溫度（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,，最終導致損壞,。

半導體器件的封裝形式是為器件安裝和器件散熱服務的。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,，螺栓式基本已經淘汰。

模塊式結構多用于將數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,，結構簡單等優(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熱性能好（實現起來很困難）,，只適用于中小功率的單元或器件,。

平板式結構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，功率單元結構復雜,，維護不如模塊式方便,。

綜合利弊，當電流大于200A（尤其是500A以上）的半導體器件上首選平板式結構，已經是業(yè)內共識,，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，不能采用平板式結構,，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的并聯均流問題

目前，國外單管IGBT的最大容量為2000A/2500V,，實際的商品器件容量為1200A/2400V,，根據大功率斬波的需要，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,，再結合本文前述的IGBT最大電流標稱問題,，單一器件無法滿足要求，必須采用器件并聯,。半導體器件并聯存在的均流問題是影響可靠性的關鍵,，由于受離散性的限制，并聯器件的參數不可能完全一致,，于是導致并聯器件的電流不均,，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,，這是半導體器件并聯中老大難的問題，為此,，要提高斬波包括其它電力電子設備的可靠性,，應該盡量避免器件并聯，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，可以改善均流性能,，但是畢竟有限,，加上可控半導體器件的均流還要考慮驅動一致性，否則,，既使導通特性一致,，也無法實現均流，這樣，就給IGBT并聯造成了極大困難,。

六. IGBT的驅動與隔離問題

可控半導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,，兩者不能有電的聯系。

與晶閘管的脈沖沿觸發(fā)特性不同（沿驅動）,，IGBT等晶體管的導通要求柵極具有持續(xù)的電流或電壓（電平驅動）,，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隔離,，驅動電路必須是有源的，電路較為復雜,，而且包含驅動電源在內,，要和主電路有高耐壓的隔離。實踐證明,，晶體管的驅動隔離是導致系統(tǒng)可靠性降低不可忽略的因素,，據不完全統(tǒng)計，由于驅動隔離問題而導致故障的幾率約占總故障的15%以上,。

 七. 結束語

附表1,、2總結了晶閘管和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）的內饋調速應用上還存在問題,，其中主要表現在承受過流,、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,，科學實踐需要科學的態(tài)度。

在大功率開關應用的可靠性方面,，晶閘管要優(yōu)于晶體管，這是半導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斷的缺點,，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,，給我國的斬波內饋調速應用造成不小的困難，維修費用高，器件參數把控難,，供貨時間長等因素都應該在產品化時慎重考慮,。

盡管普通晶閘管存在關斷困難的缺點，如果能夠加以解決,，仍然是近期大功率斬波應用的主導方向,，理由是普通晶閘管的其它優(yōu)點是晶體管無法替代的。