IGBT模塊工作原理以及檢測(cè)方法
 

IGBT模塊簡(jiǎn)介

IGBT是Insulated?Gate?Bipolar?Transistor（絕緣柵雙極型晶體管）的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

可知，若在IGBT的柵極G和發(fā)射極E之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極C與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS?截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極G—發(fā)射極E間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級(jí)的漏電流流過(guò)，基本上不消耗功率。

2?IGBT模塊的選擇 IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí)，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時(shí)，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降溫等使用。?3?使用中的注意事項(xiàng) 由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：
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1. ?在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先 將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸；

2. ?在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊；

3. ?盡量在底板良好接地的情況下操作。

在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過(guò)柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來(lái)傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。 此外，在柵極—發(fā)射極間開路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過(guò)，柵極電位升高，集電極則有電流流過(guò)。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。

在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正常或柵極回路損壞時(shí)（柵極處于開路狀態(tài)），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。

在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。?
 

4?保管時(shí)的注意事項(xiàng)?

1. ?一般保存IGBT模塊的場(chǎng)所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為 5～35?，常濕的規(guī)定在45～75％左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕;?

2. ?盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場(chǎng)合；

3. ?在溫度發(fā)生急劇變化的場(chǎng)所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng) 放在溫度變化較小的地方；

4. ?保管時(shí)，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 5.?裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。

二．IGBT模塊得測(cè)試簡(jiǎn)介

根據(jù)測(cè)試條件和測(cè)試線路的不同，可將IGBT模塊的測(cè)試分為兩大類：一類是靜態(tài)參數(shù)測(cè)試，即在IGBT模塊結(jié)溫為25時(shí)進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)IGBT工作在非開關(guān)狀態(tài)；另一類是動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，即在IGBT模塊結(jié)溫為125時(shí)進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)。

1. 靜態(tài)參數(shù)測(cè)試

（1）柵-射極最大漏電流IGES測(cè)試 ，該項(xiàng)測(cè)試在額定的G-E極電壓下進(jìn)行。測(cè)試時(shí)必須將G-E極短路。其測(cè)試原理如圖1a所示。通常情況下，Vdrive=±20V。此時(shí)IGES(+)＜100nA，而IGES(-)＞-100nA.

（2）柵極閾值電壓VCE(th)測(cè)試在該項(xiàng)測(cè)試中，須將G-E極短路，測(cè)試原理如圖1b所示。從集電極注入一恒定的電流，此時(shí)因IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，故不會(huì)有電流從C-E結(jié)間流過(guò)。G-E極間固有的電容開始充電，當(dāng)G-E結(jié)上電壓達(dá)到VGE(th)時(shí)，IGBT開始導(dǎo)通。此時(shí)，將有電流從C-E結(jié)流過(guò)，通過(guò)監(jiān)控該電流就能達(dá)到測(cè)試VGE(th)的目的。

VGE(th)呈負(fù)溫度系數(shù)特性，經(jīng)過(guò)測(cè)試，其溫度系數(shù)為：-11mV/。例如，在25時(shí)，VGE(th)=3V,到150時(shí)，VGE(th)只有1.63V。

（3）C-E極通態(tài)壓降VCE(on)測(cè)試即指在額定集電極電流Ie和額定G-E極電極VGE下的G-E極通態(tài)壓降。該參數(shù)是IGBT營(yíng)業(yè)中的重要參數(shù)，其大小直接決定通態(tài)損耗的大小。測(cè)試原理圖見圖2a。

（4）續(xù)流二極管的正向壓降VEM測(cè)試即指IGBT模塊中與IGBT芯片反并的續(xù)流二極管的正向壓降。該值與IGBT模塊的關(guān)斷特性緊密相關(guān)，若VEM小，則IGBT關(guān)斷速度快，關(guān)斷損耗會(huì)減小，但是關(guān)斷時(shí)IGBT上的過(guò)沖電壓尖峰較高；反之，則會(huì)造成關(guān)斷損耗增大。其測(cè)試原理如圖2b所示。

（5）C-E極漏電流ICES測(cè)試進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試時(shí)，G-E極應(yīng)短路，在C-E極上加IGBT的額定電壓Ve set.測(cè)試原理圖見圖3a。

（6）G-E極阻斷電壓VCES(Bias)測(cè)試進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試時(shí)，柵極和發(fā)射極應(yīng)短路。在指定的集電極電流值ICset下，集-射極上的最小電壓即為VCES(Bias)。通常情況下，Ie set=1mA.測(cè)試電路見圖3b。

IGBT的阻斷電壓隨結(jié)溫的上升而上升。對(duì)于額定電壓為600V的IGBT，其VCES(Bias)通常為25時(shí)的阻斷電壓，因?yàn)樗S溫度下降而降低，所以在-40時(shí)，額定電壓600V的IGBT模塊，其VCES(Bias)≈550V。
 

2. 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試

（1）擎住電流LUT測(cè)試IGBT的縱向結(jié)構(gòu)為pnpn4層結(jié)構(gòu)，如果條件合適，踏能像晶閘管一樣擎住，此時(shí)IGBT的負(fù)載為阻性負(fù)載。通常情況下，集電極電壓VCC為額定電壓60%擎住電流為額定電流的兩倍。LUT測(cè)試的時(shí)序如圖4所示。通常測(cè)試系統(tǒng)的電流保護(hù)值Iprot設(shè)定為額定電流的3.5~4倍。

（2）能耗Eloss測(cè)試對(duì)于電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，開關(guān)過(guò)程中元件內(nèi)部的能量損耗非常重要，藉此可以計(jì)算出開關(guān)損耗的平均值。進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試時(shí)，IGBT的負(fù)載為感性負(fù)載。總的開關(guān)損耗值由兩部分組成：開通損耗Eon,其中包括與IGBT芯片反并續(xù)流二極管的反向恢復(fù)損耗；關(guān)斷損耗Eoff,包括電流拖尾部分的損耗。IGBT開關(guān)損耗波形如圖5所示。

（3）反偏安全工作區(qū)（RBSOA）測(cè)試該項(xiàng)測(cè)試主要用于考核IGBT模塊關(guān)斷時(shí)工作在最大電流和電壓下的工作能力。此時(shí)，IGBT的負(fù)載為感性負(fù)載，其測(cè)試原理圖和參考波形如圖6a所示。

（4）短路（SHORT CIRCUIT）測(cè)試該項(xiàng)測(cè)試是在一定的VCC下檢測(cè)IGBT模塊直接對(duì)電源短路的有限時(shí)間，借此考核IGBT承受電流郭沖的能力。其測(cè)試原理圖和參考波形如圖6b所示。