【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
、對(dui)稱(cheng)，故(gu)名(ming)斬(zhan)波(bo)。斬(zhan)波(bo)在(zai)內(nei)饋(kui)調(tiao)速(su)控(kong)製(zhi)中(zhong)占(zhan)有(you)極(ji)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)地(di)位(wei)，它(ta)不(bu)僅(jin)關(guan)係(xi)到(dao)調(tiao)速(su)的(de)技(ji)術(shu)性(xing)能(neng)，而(er)且(qie)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)設(she)備(bei)的(de)運(yun)行(xing)安(an)全(quan)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，因(yin)此(ci)，如(ru)何(he)選(xuan)擇(ze)斬(zhan)波(bo)電(dian)路(lu)和(he)斬(zhan)波(bo)器(qi)件(jian)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。

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、對(dui)稱(cheng)
，故(gu)名(ming)斬(zhan)波(bo)。斬(zhan)波(bo)在(zai)內(nei)饋(kui)調(tiao)速(su)控(kong)製(zhi)中(zhong)占(zhan)有(you)極(ji)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)地(di)位(wei)，它(ta)不(bu)僅(jin)關(guan)係(xi)到(dao)調(tiao)速(su)的(de)技(ji)術(shu)性(xing)能(neng)，而(er)且(qie)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)設(she)備(bei)的(de)運(yun)行(xing)安(an)全(quan)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，因(yin)此(ci)，如(ru)何(he)選(xuan)擇(ze)斬(zhan)波(bo)電(dian)路(lu)和(he)斬(zhan)波(bo)器(qi)件(jian)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。

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duiIGBT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。

承cheng受shou過guo流liu的de能neng力li強qiang弱ruo是shi衡heng量liang斬zhan波bo工gong作zuo可ke靠kao與yu否fou的de關guan鍵jian，要yao使shi電dian路lu不bu發fa生sheng過guo流liu幾ji乎hu是shi不bu可ke能neng的de，負fu載zai的de變bian化hua
，工gong作zuo狀zhuang態tai切qie換huan的de過guo度du過guo程cheng，都dou將jiang引yin發fa過guo流liu和he過guo壓ya，而er過guo流liu保bao護hu畢bi竟jing是shi被bei動dong和he有you限xian的de措cuo施shi

，要yao使shi器qi件jian安an全quan工gong作zuo，終zhong還hai是shi要yao提ti高gao器qi件jian自zi身shen的de過guo流liu能neng力li。
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。IGBTcunzaijingtaihedongtailiangzhongqingzhuxiaoying，fenbieyoudaotongshidedianliuheguanduanshidedianyaguodaeryinqi，yaozaishijianzhonggenbenbimianqingzhuxiaoyingshihenkunnande

，zhezaimouzhongchengdudadayingxiangleIGBT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。

pingbanshijiegouzhuyaoyongyudanyidedadianliuqijian，shijiangqijianheshuangmiansanreqijinguzaiyiqi，sanreqijizuosanreyouzuodianjizhiyong。pingbanshideyoudianshisanrexingnenghao，qijiangongzuoanquan、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，特(te)別(bie)是(shi)嚴(yan)重(zhong)不(bu)均(jun)流(liu)時(shi)
，通(tong)態(tai)電(dian)流(liu)大(da)的(de)器(qi)件(jian)將(jiang)損(sun)壞(huai)，這(zhe)是(shi)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)並(bing)聯(lian)中(zhong)老(lao)大(da)難(nan)的(de)問(wen)題(ti)，為(wei)此(ci)，要(yao)提(ti)高(gao)斬(zhan)波(bo)包(bao)括(kuo)其(qi)它(ta)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，應(ying)該(gai)盡(jin)量(liang)避(bi)免(mian)器(qi)件(jian)並(bing)聯(lian)，而(er)采(cai)用(yong)單(dan)管(guan)大(da)電(dian)流(liu)器(qi)件(jian)。

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

可ke控kong半ban導dao體ti器qi件jian都dou存cun在zai控kong製zhi部bu分fen
，晶jing閘zha管guan和he晶jing體ti管guan也ye不bu例li外wai。為wei了le提ti高gao可ke靠kao性xing，要yao求qiu驅qu動dong或huo觸chu發fa部bu分fen必bi須xu和he主zhu電dian路lu嚴yan格ge隔ge離li，兩liang者zhe不bu能neng有you電dian的de聯lian係xi。

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），zheyang
，jingtiguanjiubunengxiangjingzhaguannayang，tongguocaiyongmaichongbianyaqishixiangeli，qudongdianlubixushiyouyuande
，dianlujiaoweifuza
，erqiebaohanqudongdianyuanzainei，yaohezhudianluyougaonaiyadegeli。shijianzhengming
，jingtiguandequdonggelishidaozhixitongkekaoxingjiangdibukehulvedeyinsu，jubuwanquantongji，youyuqudonggeliwentierdaozhiguzhangdejilvyuezhanzongguzhangde15%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。

zaidagonglvkaiguanyingyongdekekaoxingfangmian
，jingzhaguanyaoyouyujingtiguan，zheshibandaotiqijianyuanlisuojuedingde。muqian，xinxingjingzhaguandefazhansudufeichangzhikuai

，mudeshijiejueputongjingzhaguancunzaiwufamenjiguanduandequedian，guowai（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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