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IGBT模塊常規(guī)測(cè)量以及故障維修方法
2020-07-24
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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。
IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說(shuō)的IGBT也指IGBT模塊；IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣，此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來(lái)越多見(jiàn)。
入手IGBT模塊我們應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行一個(gè)常規(guī)檢測(cè)。那我們應(yīng)該如何檢測(cè)呢？我們可以分為以下幾個(gè)方面：
1.判斷極性
首先將萬(wàn)用表?yè)茉赗×1KΩ擋，用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，若某一極與其它兩極阻值為無(wú)窮大，調(diào)換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無(wú)窮大，則判斷此極為柵極(G )，其余兩極再用萬(wàn)用表測(cè)量，若測(cè)得阻值為無(wú)窮大，調(diào)換表筆后測(cè)量阻值較小。在測(cè)量阻值較小的一次中，則判斷紅表筆接的為集電極(C);黑表筆接的為發(fā)射極(E)。
2.判斷好壞
將萬(wàn)用表?yè)茉赗×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT的集電極(C)，紅表筆接IGBT 的發(fā)射極(E)，此時(shí)萬(wàn)用表的指針在零位。用手指同時(shí)觸及一下柵極(G)和集電極(C)，這時(shí)IGBT被觸發(fā)導(dǎo)通，萬(wàn)用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同時(shí)觸及一下柵極(G)和發(fā)射極(E)，這時(shí)IGBT被阻斷，萬(wàn)用表的指針回零。此時(shí)即可判斷IGBT是好的。
3.檢測(cè)注意事項(xiàng)
任何指針式萬(wàn)用表皆可用于檢測(cè)IGBT。注意判斷IGBT好壞時(shí)，一定要將萬(wàn)用表?yè)茉赗×10KΩ擋，因R×1KΩ擋以下各檔萬(wàn)用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測(cè)好壞時(shí)不能使IGBT導(dǎo)通，而無(wú)法判斷IGBT的好壞。此方法同樣也可以用于檢測(cè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)的好壞。
調(diào)速系統(tǒng)中的核心“變頻器”是一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，易受到電磁環(huán)境的影響而發(fā)生損壞。工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，生產(chǎn)工藝的連續(xù)性不允許系統(tǒng)停機(jī)，否則將意味著巨大的經(jīng)濟(jì)損失。特別是在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如自動(dòng)化和宇宙空間系統(tǒng)、核能和危險(xiǎn)的化學(xué)工廠中，更不允許逆變器因故障停機(jī)，規(guī)避異常停機(jī)所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。
嚴(yán)格地說(shuō)，在變頻器?電機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)中任何一個(gè)功能單元、任何一個(gè)元器件發(fā)生故障都是可能的，但變頻器部分發(fā)生故障的幾率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電機(jī)。而在變頻器中，IGBT在使用過(guò)程中經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載的沖擊，可能導(dǎo)致IGBT的損壞。那么造成IGBT模塊損壞的原因是什么呢?
(1)過(guò)電流損壞
①鎖定效應(yīng)。IGBT為復(fù)合器件， 其內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管，在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，NPN的正偏壓不足以使NPN晶體管導(dǎo)通，當(dāng)漏極電流大到一定程度時(shí)， 這個(gè)正偏壓足以使NPN晶體管開(kāi)通，進(jìn)而使NPN或PNP晶體管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶閘管開(kāi)通，柵極失去了控制作用，便發(fā)生了鎖定效應(yīng)。IGBT發(fā)生鎖定效應(yīng)后，集電極電流過(guò)大，造成了過(guò)高的功耗而導(dǎo)致器件損壞。
②長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流運(yùn)行。IGBT模塊長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流運(yùn)行是指IGBT的運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到或超出RBSOA(反偏安全工作區(qū))所限定的電流安全邊界(如選型失誤、安全系數(shù)偏小等)，出現(xiàn)這種情況時(shí)，電路必須能在電流到達(dá)RBSOA限定邊界前立即關(guān)斷器件，才能達(dá)到保護(hù)器件的目的。
③短路超時(shí)(>10us)。短路超時(shí)是指IGBT所承受的電流值達(dá)到或超出SCSOA(短路安全工作區(qū))所限定的最大邊界，比如4-5倍額定電流時(shí)，必須在10us之內(nèi)關(guān)斷IGBT。如果此時(shí)IGBT所承受的最大電壓也超過(guò)器件標(biāo)稱值，IGBT必須在更短的時(shí)間內(nèi)被關(guān)斷。
(2)過(guò)電壓損壞和靜電損壞
IGBT在關(guān)斷時(shí)，由于逆變電路中存在電感成分，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓，如果尖峰電壓超過(guò)IGBT器件的最高峰值電壓，將造成IGBT擊穿損壞。IGBT過(guò) 電壓損壞可分為集電極柵極過(guò)電壓、柵極-發(fā)射極過(guò)電壓、高du/dt過(guò)壓電等。大多數(shù)過(guò)電壓保護(hù)的電路設(shè)計(jì)都比較完善，但是對(duì)于由高du/dt所導(dǎo)致的過(guò)電壓故障，基本上都是采用無(wú)感電容或者RCD結(jié)構(gòu)吸收電路。由于吸收電路設(shè)計(jì)的吸收容量不夠而造成IGBT損壞，對(duì)此可采用電壓鉗位，往往在集電極-柵極兩端并接齊納二極管，采用柵極電壓動(dòng)態(tài)控制，當(dāng)集電極電壓瞬間超過(guò)齊納二極管的鉗位電壓時(shí)，超出的電壓將疊加在柵極上(米勒效應(yīng)起作用)，避免了IGBT因受集電極發(fā)射極過(guò)電壓而損壞。
采用柵極電壓動(dòng)態(tài)控制可以解決過(guò)高的du/dt帶來(lái)的集電極發(fā)射極瞬間過(guò)電壓?jiǎn)栴}，但是它的弊端是當(dāng)IGBT處于感性負(fù)載運(yùn)行時(shí)，半橋結(jié)構(gòu)中處于關(guān)斷的IGBT，由于其反并聯(lián)二極管(續(xù)流二極管)的恢復(fù)，其集電極發(fā)射極兩端的電壓急劇上升，從而承受瞬間很高的du/dt。多數(shù)情況下，該du/dt值要比IGBT正常關(guān)斷時(shí)的集電極發(fā)射極電壓上升率高，由于米勒電容( Cres)的存在，該du/dt值將 在集電極和柵極之間產(chǎn)生一個(gè) 瞬間電流，流向柵極驅(qū)動(dòng)電路。該電流與柵極電路的阻抗相互作用，直接導(dǎo)致柵極-發(fā)射極電壓UGE值的升高，甚至超過(guò)IGBT的開(kāi)通門(mén)限電壓VGEth值。出現(xiàn)惡劣的情況就是使IGBT被誤觸發(fā)導(dǎo)通，導(dǎo)致變換器的橋臂短路。
(3)過(guò)熱損壞
過(guò)熱損壞一般指使用中IGBT模塊的結(jié)溫正超過(guò)晶片的最大溫度限定，目前應(yīng)用的IGBT器件還是以Tjmax=150C的NPT技術(shù)為主流的，為此在IGBT模塊應(yīng)用中其結(jié)溫應(yīng)限制在該值以下。
(4)G-E間開(kāi)放狀態(tài)下外加主電路電壓
在門(mén)極一發(fā)射極問(wèn)開(kāi) 放的狀態(tài)下外加主電路電壓，會(huì)使IGBT自動(dòng)導(dǎo)通，通過(guò)過(guò)大的電流，使器件損壞(這種現(xiàn)象是由于G_E問(wèn)在開(kāi)放狀下，外加主電壓，通過(guò)IGBT的反向傳輸電容Cres給門(mén)極-發(fā)射極間的電毒充電，使IGBT導(dǎo)通而產(chǎn)生的)。在IGBT器件試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)等機(jī)械開(kāi)關(guān)進(jìn)行信號(hào)線的切換，由于切換時(shí)G_E間瞬間變?yōu)殚_(kāi)放狀態(tài)，可能產(chǎn)生上述現(xiàn)象而損壞IGBT器件。另外，在機(jī)械開(kāi)關(guān)出現(xiàn)振動(dòng)的情況下，也存在同樣的時(shí)間段，可能損壞元件。為了防止這種損壞，必須先將主電路(C- -E間)的電壓放電至0V,再進(jìn)行門(mén)極信號(hào)的切換。另外，對(duì)由多個(gè)IGBT器件(一組2個(gè)以上)構(gòu)成的裝置在進(jìn)行試驗(yàn)等特性試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試IGBT器件以外的門(mén)極一發(fā)射極間必須予以短路。
(5)機(jī)械應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品的破壞
IGBT器件的端子如果受到強(qiáng)外力或振動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞IGBT器件內(nèi)部電氣配線等情況。在將IGBT器件實(shí)際安裝到裝置上時(shí)，應(yīng)避免發(fā)生類似的應(yīng)力。如果不固定門(mén)極驅(qū)動(dòng)用的印刷基板即安裝時(shí)，裝置在搬運(yùn)時(shí)由于受到振動(dòng)等原因，門(mén)極驅(qū)動(dòng)用的印刷基板也振動(dòng)，從而使IGBT器件的端子發(fā)生應(yīng)力，引起IGBT器件內(nèi)部電氣配線的損壞等問(wèn)題。為了防止這種不良情況的發(fā)生，需要將門(mén)極驅(qū)動(dòng)用的印刷基板固定。
如電氣配線用的+、一導(dǎo)體問(wèn)有高低差時(shí)，IGBT器件的端子將處于不斷地承受向上拉伸應(yīng)力的狀態(tài)，可能導(dǎo)致IGBT器件內(nèi)部的電氣配線斷線等問(wèn)題。為預(yù)防此類不良情況的發(fā)生加入導(dǎo)電性的襯墊使平行導(dǎo)體間的高低差消失。另外，若出現(xiàn)配線高度位置的偏離，同樣會(huì)使端子承受很大的拉伸應(yīng)力或外力，也會(huì)出現(xiàn)同樣的不良情況。
以上就是IGBT模塊的常規(guī)檢查以及常見(jiàn)故障問(wèn)題維修方法 。
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