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IGBT在大功率斩波中问题的应用

变流技术 | 发布时间:2017-12-14 | 人气: | #评论# | 本文关键字:IGBT,斩波器
摘要:斩波是电力电子控制中的一项变流技术,其实质是直流控制的脉宽调制,因其波形如同斩切般整齐、对称,故名斩波。斩波在内馈调速控制中占有极为重要的地位,它不仅关系到调速的技术性

斩波是电力电子控制中的一项变流技术,其实质是直流控制的脉宽调制,因其波形如同斩切般整齐、对称,故名斩波。斩波在内馈调速控制中占有极为重要的地位,它不仅关系到调速的技术性能,而且直接影响设备的运行安全和可靠性,因此。如何选择斩波电路和斩波器件十分重要。

  IGBT是近代新发展起来的全控型功率半导体器件,它是由MOSFET(场效应晶体管)与GTR(大功率达林顿晶体管)结合,并由前者担任驱动,因此具有:驱动功率小,通态压降低,开关速度快等优点,目前已广泛应用于变频调速、开关电源等电力电子领域。

  就全控性能而言,IGBT是最适合斩波应用的器件,而且技术极为简单,几乎IGBT器件本身就构成了斩波电路。但是要把IGBT斩波形成产品,问题就没有那么简单,特别是大功率斩波,如果不面对现实,认真研究、发现和解决存在的问题,必将事与愿违,斩波设备的可靠性将遭受严重的破坏。不知道是出于技术认识问题还是商务目的,近来发现,某些企业对IGBT晶体管倍加推崇,而对晶闸管全面否定,显然,这是不科学的。为了尊重科学和澄清事实,本文就晶闸管和以IGBT为代表的晶体管的性能、特点加以分析和对比,希望能够并引起讨论,还科学以本来面目。

  一、IGBT的标称电流与过流能力

  1) IGBT的额定电流

  目前,IGBT的额定电流(元件标称的电流)是以器件的最大直流电流标称的,元件实际允许通过的电流受安全工作区的限制而减小,由图1所示的IGBT安全工作区可见,影响通过电流的因素除了c-e电压之外,还有工作频率,频率越低,导通时间越长,元件发热越严重,导通电流越小。

  IGBT的安全工作区

  图1 IGBT的安全工作区

  显然,为了安全,不可能让元件工作在最大电流状态,必须降低电流使用,因此,IGBT上述的电流标称,实际上降低了元件的电流定额,形成标称虚高,而能力不足。根据图1 的特性,当IGBT导通时间较长时(例如100us),UCE电压将降低标称值的1/2左右;如果保持UCE不变,元件的最大集电极电流将降低额定值的2/3。因此,按照晶闸管的电流标称标准,IGBT的标称电流实际仅为同等晶闸管的1/3左右。例如,标称为300A的IGBT只相当于100A的SCR(晶闸管)。又如,直流工作电流为500A的斩波电路,如果选择晶闸管,当按:

  

  式中的Ki为电流裕度系数,取Ki=2,实际可以选择630A标称的晶闸管。

  如果选择IGBT,则为:

  

  应该选择3000A的IGBT元件。

  IGBT这种沿袭普通晶体管的电流标称准则,在功率开关应用中是否合理,十分值得探讨。但无论结果如何,IGBT的标称电流在应用时必须大打折扣是不争的事实。

1) IGBT的过流能力

  半导体元件的过流能力通常用允许的峰值电流IM来衡量,IGBT目前还没有国际通用的标准,按德国EUPEC、日本三菱等公司的产品参数,IGBT的峰值电流定为最大集电极电流(标称电流)的2倍,有

  

  例如,标称电流为300A元件的峰值电流为600A;而标称800A元件的峰值电流为1600A。

  对比晶闸管,按国标,峰值电流为

  

  峰值电流高达10倍额定有效值电流,而且,过流时间长达10ms,而IGBT的允许峰值电流时间据有关资料介绍仅为10us,可见IGBT的过流能力太脆弱了。

  承受过流的能力强弱是衡量斩波工作可靠与否的关键,要使电路不发生过流几乎是不可能的,负载的变化,工作状态切换的过度过程,都将引发过流和过压,而过流保护毕竟是被动和有限的措施,要使器件安全工作,最终还是要提高器件自身的过流能力。

  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:

  IGBT的等效电路及晶闸管效应

  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。

责任编辑:电气自动化网
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