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    故障分析

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    IGBT在大功率斬波中問題的探討

    發布日期:2018/7/7 22:58:56 作者: 點擊:

    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,通態壓降低,開關速度快等優點,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,近來發現,某些企業對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的限制而減小,由圖1所示的IGBT安全工作區可見,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,元件發熱越嚴重,導通電流越小。

     

      

     

      顯然,為了安全,不可能讓元件工作在最大電流狀態,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。

     

      2) 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,要使電路不發生過流幾乎是不可能的,負載的變化,工作狀態切換的過度過程,都將引發過流和過壓,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存在靜態和動態兩種擎住效應,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

     

      “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評價。晶體管與晶閘管的本質區別在于: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,而放大區的載流子處于非飽和狀態,故放大區的電阻遠高于導通區;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,沒有高阻放大區。

     

      眾所周知,功率半導體器件都是作為開關使用的,有用的工作狀態只有導通和截止,放大狀態非但沒用,反而起負面作用。理由是如果電流通過放大區,由于該區的電阻較大,必然引起劇烈的發熱,導致器件燒毀。IGBT從屬于晶體管,同樣存在高阻放大區,器件在作開關應用時,必然經過放大區引起發熱,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特性不同(沿驅動),IGBT等晶體管的導通要求柵極具有持續的電流或電壓(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可靠性降低不可忽略的因素,據不完全統計,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:

     

    器件性能參數 晶閘管(KP KK) IGBT(晶體管) 結論

    器件等效 雙穩態觸發器 放大器 前者最適合開關應用

    有無高阻放大區 無 有 最好無放大區

    封裝方式 平板壓接式 模塊式 

    散熱 雙面 單面 雙面散熱好

    管芯模式 大型面式 小型點式 

    內部結構 單一管芯 多管芯并聯 單管可靠

    額定/標稱電流 1.57 0.5-1 

    浪涌/標稱電流 10-15 2 

    通態壓降 1.5-2 2.5-4 

    電流上升率控制 外部 內部 靠內部,易發熱損壞

     

      附表1 SCR(晶閘管)與IGBT的部分性能對比

     

      附表2 SCR與IGBT 的觸發、驅動性能對比

     

    器件性能 晶閘管 IGBT(晶體管) 結論

    導通 門極觸發 柵極驅動 一致

    關斷 陽極反偏 柵極反偏 后者優、簡單方便

    適用脈沖變壓器 適用 不適用 

    驅動隔離 易 難 無隔離易干擾

    脈沖驅動 前沿 電平 

     

      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的全控優點,掩蓋其存在的不足,科學實踐需要科學的態度。

     

      在大功率開關應用的可靠性方面,晶閘管要優于晶體管,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點是晶體管無法替代的。


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