IGBT模塊工作原理以及檢測方法
IGBT模塊簡介
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，既具有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，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級的漏電流流過，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，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降溫等使用。?3?使用中的注意事項 由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(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：
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1. ?在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時，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)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊；
3. ?盡量在底板良好接地的情況下操作。
在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，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，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，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，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的場合，當(dāng)柵極回路不正常或柵極回路損壞時（柵極處于開路狀態(tài)），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，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，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將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風(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)溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。?
4?保管時的注意事項?
1. ?一般保存IGBT模塊的場所，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)，需用加濕機加濕;?
2. ?盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合；
3. ?在溫度發(fā)生急劇變化的場所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，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模塊得測試簡介
根據(jù)測試條件和測試線路的不同，可將IGBT模塊的測試分為兩大類：一類是靜態(tài)參數(shù)測試，即在IGBT模塊結(jié)溫為25時進(jìn)行測試，此時IGBT工作在非開關(guān)狀態(tài)；另一類是動態(tài)參數(shù)測試，即在IGBT模塊結(jié)溫為125時進(jìn)行測試，此時IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)。
1. 靜態(tài)參數(shù)測試
（1）柵-射極最大漏電流IGES測試 ，該項測試在額定的G-E極電壓下進(jìn)行。測試時必須將G-E極短路。其測試原理如圖1a所示。通常情況下，Vdrive=±20V。此時IGES(+)＜100nA，而IGES(-)＞-100nA.
（2）柵極閾值電壓VCE(th)測試在該項測試中，須將G-E極短路，測試原理如圖1b所示。從集電極注入一恒定的電流，此時因IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，故不會有電流從C-E結(jié)間流過。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，IGBT開始導(dǎo)通。此時，將有電流從C-E結(jié)流過，通過監(jiān)控該電流就能達(dá)到測試VGE(th)的目的。
VGE(th)呈負(fù)溫度系數(shù)特性，經(jīng)過測試，其溫度系數(shù)為：-11mV/。例如，在25時，VGE(th)=3V,到150時，VGE(th)只有1.63V。
（3）C-E極通態(tài)壓降VCE(on)測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。測試原理圖見圖2a。
（4）續(xù)流二極管的正向壓降VEM測試即指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)斷損耗會減小，但是關(guān)斷時IGBT上的過沖電壓尖峰較高；反之，則會造成關(guān)斷損耗增大。其測試原理如圖2b所示。
（5）C-E極漏電流ICES測試進(jìn)行該項測試時，G-E極應(yīng)短路，在C-E極上加IGBT的額定電壓Ve set.測試原理圖見圖3a。
（6）G-E極阻斷電壓VCES(Bias)測試進(jìn)行該項測試時，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.測試電路見圖3b。
IGBT的阻斷電壓隨結(jié)溫的上升而上升。對于額定電壓為600V的IGBT，其VCES(Bias)通常為25時的阻斷電壓，因為它隨溫度下降而降低，所以在-40時，額定電壓600V的IGBT模塊，其VCES(Bias)≈550V。
2. 動態(tài)參數(shù)測試
（1）擎住電流LUT測試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測試的時序如圖4所示。通常測試系統(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測試對于電路設(shè)計者來說，開關(guān)過程中元件內(nèi)部的能量損耗非常重要，藉此可以計算出開關(guān)損耗的平均值。進(jìn)行此項測試時，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）測試該項測試主要用于考核IGBT模塊關(guān)斷時工作在最大電流和電壓下的工作能力。此時，IGBT的負(fù)載為感性負(fù)載，其測試原理圖和參考波形如圖6a所示。
（4）短路（SHORT CIRCUIT）測試該項測試是在一定的VCC下檢測IGBT模塊直接對電源短路的有限時間，借此考核IGBT承受電流郭沖的能力。其測試原理圖和參考波形如圖6b所示。
