【導讀】斬波是電力電子控製中的一項變流技術，其實質是直流控製的脈寬調製
，因其波形如同斬切般整齊、duicheng，gumingzhanbo。zhanbozaineikuitiaosukongzhizhongzhanyoujiweizhongyaodediwei，tabujinguanxidaotiaosudejishuxingneng，erqiezhijieyingxiangshebeideyunxinganquanhekekaoxing
，yinci，ruhexuanzezhanbodianluhezhanboqijianshifenzhongyao。

斬波是電力電子控製中的一項變流技術

，其實質是直流控製的脈寬調製，因其波形如同斬切般整齊


、duicheng，gumingzhanbo。zhanbozaineikuitiaosukongzhizhongzhanyoujiweizhongyaodediwei，tabujinguanxidaotiaosudejishuxingneng，erqiezhijieyingxiangshebeideyunxinganquanhekekaoxing，yinci

，ruhexuanzezhanbodianluhezhanboqijianshifenzhongyao。

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，並由前者擔任驅動

，因此具有：驅動功率小，通態壓降低
，開關速度快等優點，目前已廣泛應用於變頻調速、開關電源等電力電子領域。

就全控性能而言

，IGBT是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，問題就沒有那麼簡單
，特別是大功率斬波，如果不麵對現實，認真研究

、發(fa)現(xian)和(he)解(jie)決(jue)存(cun)在(zai)的(de)問(wen)題(ti)，必(bi)將(jiang)事(shi)與(yu)願(yuan)違(wei)，斬(zhan)波(bo)設(she)備(bei)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)將(jiang)遭(zao)受(shou)嚴(yan)重(zhong)的(de)破(po)壞(huai)。不(bu)知(zhi)道(dao)是(shi)出(chu)於(yu)技(ji)術(shu)認(ren)識(shi)問(wen)題(ti)還(hai)是(shi)商(shang)務(wu)目(mu)的(de)，近(jin)來(lai)發(fa)現(xian)，某(mou)些(xie)企(qi)業(ye)對(dui)IGBT晶體管倍加推崇，而對晶閘管全麵否定
，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

，希望能夠並引起討論，還科學以本來麵目。

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製而減小，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。

圖1 IGBT的安全工作區

顯然
，為了安全，不可能讓元件工作在電流狀態，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隻相當於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：

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。

chengshouguoliudenengliqiangruoshihengliangzhanbogongzuokekaoyufoudeguanjian，yaoshidianlubufashengguoliujihushibukenengde，fuzaidebianhua


，gongzuozhuangtaiqiehuandeguoduguocheng
，doujiangyinfaguoliuheguoya，erguoliubaohubijingshibeidongheyouxiandecuoshi，yaoshiqijiananquangongzuo，zhonghaishiyaotigaoqijianzishendeguoliunengli。
另外，由於受晶體管製造工藝的限製，IGBT很難製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並聯，例如，標稱電流為600A的IGBT
，解剖開是8隻75A元件並聯
，由於元件並聯工藝（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麵明顯降低。

二. IGBT的擎住效應

IGBT的簡化等效電路如圖3所示:

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的柵極失去控製，器件的電流迅猛上升超過定額值
，終燒毀器件
，這種現象稱為擎住效應。IGBT存cun在zai靜jing態tai和he動dong態tai兩liang種zhong擎qing住zhu效xiao應ying，分fen別bie由you導dao通tong時shi的de電dian流liu和he關guan斷duan時shi的de電dian壓ya過guo大da而er引yin起qi，要yao在zai實shi踐jian中zhong根gen本ben避bi免mian擎qing住zhu效xiao應ying是shi很hen困kun難nan的de，這zhe在zai某mou種zhong程cheng度du大da大da影ying響xiang了leIGBT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於：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於非飽和狀態，故放大區的電阻遠高於導通區；晶閘管是晶體管的正反饋組合，器件隻存在導通和截止兩個工作區，沒有高阻放大區。

眾zhong所suo周zhou知zhi，功gong率lv半ban導dao體ti器qi件jian都dou是shi作zuo為wei開kai關guan使shi用yong的de，有you用yong的de工gong作zuo狀zhuang態tai隻zhi有you導dao通tong和he截jie止zhi
，放fang大da狀zhuang態tai非fei但dan沒mei用yong，反fan而er起qi負fu麵mian作zuo用yong。理li由you是shi如ru果guo電dian流liu通tong過guo放fang大da區qu，由you於yu該gai區qu的de電dian阻zu較jiao大da，必bi然ran引yin起qi劇ju烈lie的de發fa熱re，導dao致zhi器qi件jian燒shao毀hui。IGBT從屬於晶體管，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於晶閘管的原理所在。

四. IGBT的封裝形式與散熱

對於半導體器件，管芯溫度是重要的可靠條件，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，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。

模塊式結構多用於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
，缺點是器件隻能單麵散熱，而且要求底板既要絕緣又要導熱性能好（實現起來很困難），隻適用於中小功率的單元或器件。

平ping板ban式shi結jie構gou主zhu要yao用yong於yu單dan一yi的de大da電dian流liu器qi件jian，是shi將jiang器qi件jian和he雙shuang麵mian散san熱re器qi緊jin固gu在zai一yi起qi
，散san熱re器qi既ji作zuo散san熱re又you作zuo電dian極ji之zhi用yong。平ping板ban式shi的de優you點dian是shi散san熱re性xing能neng好hao，器qi件jian工gong作zuo安an全quan、可靠。缺點是安裝不便，功率單元結構複雜
，維護不如模塊式方便。

綜合利弊
，當電流大於200A（尤其是500A以上）的半導體器件上平板式結構，已經是業內共識，隻是IGBT受shou管guan芯xin製zhi作zuo原yuan理li的de限xian製zhi，目mu前qian無wu法fa製zhi造zao成cheng大da功gong率lv芯xin片pian，不bu能neng采cai用yong平ping板ban式shi結jie構gou，隻zhi好hao采cai用yong模mo塊kuai式shi，雖sui然ran安an裝zhuang方fang便bian
，但dan散san熱re性xing能neng差cha不bu利li於yu可ke靠kao性xing，這zhe是shi不bu爭zheng的de事shi實shi。

五. IGBT的並聯均流問題

目前，國外單管IGBT的容量為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電dian流liu標biao稱cheng問wen題ti，單dan一yi器qi件jian無wu法fa滿man足zu要yao求qiu，必bi須xu采cai用yong器qi件jian並bing聯lian。半ban導dao體ti器qi件jian並bing聯lian存cun在zai的de均jun流liu問wen題ti是shi影ying響xiang可ke靠kao性xing的de關guan鍵jian，由you於yu受shou離li散san性xing的de限xian製zhi，並bing聯lian器qi件jian的de參can數shu不bu可ke能neng完wan全quan一yi致zhi，於yu是shi導dao致zhi並bing聯lian器qi件jian的de電dian流liu不bu均jun
，此ci時shi的de1+1小於2，tebieshiyanzhongbujunliushi，tongtaidianliudadeqijianjiangsunhuai，zheshibandaotiqijianbinglianzhonglaodanandewenti

，weici，yaotigaozhanbobaokuoqitadianlidianzishebeidekekaoxing
，yinggaijinliangbimianqijianbinglian


，ercaiyongdanguandadianliuqijian。

從理論上講，IGBT在zai大da電dian流liu狀zhuang態tai具ju有you正zheng溫wen度du係xi數shu，可ke以yi改gai善shan均jun流liu性xing能neng，但dan是shi畢bi竟jing有you限xian
，加jia上shang可ke控kong半ban導dao體ti器qi件jian的de均jun流liu還hai要yao考kao慮lv驅qu動dong一yi致zhi性xing，否fou則ze，既ji使shi導dao通tong特te性xing一yi致zhi，也ye無wu法fa實shi現xian均jun流liu
，這zhe樣yang，就jiu給geiIGBT並聯造成了極大困難。

六. IGBT的驅動與隔離問題

kekongbandaotiqijiandoucunzaikongzhibufen，jingzhaguanhejingtiguanyebuliwai。weiletigaokekaoxing，yaoqiuqudonghuochufabufenbixuhezhudianluyangegeli，liangzhebunengyoudiandelianxi。

與晶閘管的脈衝沿觸發特性不同（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(zhe)樣(yang)
，晶(jing)體(ti)管(guan)就(jiu)不(bu)能(neng)象(xiang)晶(jing)閘(zha)管(guan)那(na)樣(yang)，通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)脈(mai)衝(chong)變(bian)壓(ya)器(qi)實(shi)現(xian)隔(ge)離(li)
，驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)必(bi)須(xu)是(shi)有(you)源(yuan)的(de)
，電(dian)路(lu)較(jiao)為(wei)複(fu)雜(za)
，而(er)且(qie)包(bao)含(han)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)在(zai)內(nei)，要(yao)和(he)主(zhu)電(dian)路(lu)有(you)高(gao)耐(nai)壓(ya)的(de)隔(ge)離(li)。實(shi)踐(jian)證(zheng)明(ming)，晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)驅(qu)動(dong)隔(ge)離(li)是(shi)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)降(jiang)低(di)不(bu)可(ke)忽(hu)略(lve)的(de)因(yin)素(su)
，據(ju)不(bu)完(wan)全(quan)統(tong)計(ji)，由(you)於(yu)驅(qu)動(dong)隔(ge)離(li)問(wen)題(ti)而(er)導(dao)致(zhi)故(gu)障(zhang)的(de)幾(ji)率(lv)約(yue)占(zhan)總(zong)故(gu)障(zhang)的(de)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製
，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

、過壓的可靠性方麵。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(zai)大(da)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)應(ying)用(yong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)方(fang)麵(mian)
，晶(jing)閘(zha)管(guan)要(yao)優(you)於(yu)晶(jing)體(ti)管(guan)
，這(zhe)是(shi)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)原(yuan)理(li)所(suo)決(jue)定(ding)的(de)。目(mu)前(qian)，新(xin)型(xing)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)發(fa)展(zhan)速(su)度(du)非(fei)常(chang)之(zhi)快(kuai)，目(mu)的(de)是(shi)解(jie)決(jue)普(pu)通(tong)晶(jing)閘(zha)管(guan)存(cun)在(zai)無(wu)法(fa)門(men)極(ji)關(guan)斷(duan)的(de)缺(que)點(dian)，國(guo)外(wai)（目前僅有ABB公司）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
，為適合大功率斬波應用。
IGCT和IGBT目(mu)前(qian)都(dou)存(cun)在(zai)依(yi)賴(lai)進(jin)口(kou)和(he)價(jia)格(ge)昂(ang)貴(gui)的(de)問(wen)題(ti)，受(shou)其(qi)影(ying)響(xiang)，給(gei)我(wo)國(guo)的(de)斬(zhan)波(bo)內(nei)饋(kui)調(tiao)速(su)應(ying)用(yong)造(zao)成(cheng)不(bu)小(xiao)的(de)困(kun)難(nan)，維(wei)修(xiu)費(fei)用(yong)高(gao)，器(qi)件(jian)參(can)數(shu)把(ba)控(kong)難(nan)，供(gong)貨(huo)時(shi)間(jian)長(chang)等(deng)因(yin)素(su)都(dou)應(ying)該(gai)在(zai)產(chan)品(pin)化(hua)時(shi)慎(shen)重(zhong)考(kao)慮(lv)。

jinguanputongjingzhaguancunzaiguanduankunnandequedian，ruguonenggoujiayijiejue，rengranshijinqidagonglvzhanboyingyongdezhudaofangxiang
，liyoushiputongjingzhaguandeqitayoudianshijingtiguanwufatidaide。

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