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IGBT模块工作原理以及检测方法

IGBT模块简介

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双型晶体管复合而成的一种器件，其输入为MOSFET，输出为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

可知，若在IGBT的栅G和发射E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电C与基之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅和发射之间电压为0V，则MOS 截止，切断PNP晶体管基电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅G—发射E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。

IGBT模块的选择

IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电电流时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗发热加剧，选用时应该降温等使用。

使用中的注意事项

由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅通过一层氧化膜与发射实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20～30V。因此因静电而导致栅击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点：

1. 在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当要触摸模块端子时，要先 将或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸；

2. 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块；

3. 尽量在底板良好接地的情况下操作。

在应用中有时虽然保证了栅驱动电压没有超过栅大额定电压，但栅连线的寄生电感和栅与集电间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅连线中串联小电阻也可以振荡电压。此外，在栅—发射间开路时，若在集电与发射间加上电压，则随着集电电位的变化，由于集电有漏电流流过，栅电位升高，集电则有电流流过。这时，如果集电与发射间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。在使用IGBT的场合，当栅回路不正常或栅回路损坏时（栅处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅与发射之间串接一只10KΩ左右的电阻。在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。

保管时的注意事项

1. 一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为 5～35℃ ，常湿的规定在45～75％左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿;

2. 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合；

3. 在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象，因此IGBT模块应 放在温度变化较小的地方；

4. 保管时，须注意不要在IGBT模块上堆放重物；

5. 装IGBT模块的容器，应选用不带静电的容器。

IGBT模块的测试简介

根据测试条件和测试线路的不同，可将IGBT模块的测试分为两大类：一类是静态参数测试，即在IGBT模块结温为25℃时进行测试，此时IGBT工作在非开关状态；另一类是动态参数测试，即在IGBT模块结温为125℃时进行测试，此时IGBT工作在开关状态。

1. 静态参数测试

（1）栅-射大漏电流IGES测试 ，该项测试在额定的G-E电压下进行。测试时将G-E短路。其测试原理如图1a所示。通常情况下，Vdrive=±20V。此时IGES(+)＜100nA，而IGES(-)＞-100nA.

（2）栅阈值电压VCE(th)测试在该项测试中，须将G-E短路，测试原理如图1b所示。从集电注入一恒定的电流，此时因IGBT处于关断状态，故不会有电流从C-E结间流过。G-E间固有的电容开始充电，当G-E结上电压达到VGE(th)时，IGBT开始导通。此时，将有电流从C-E结流过，通过监控该电流就能达到测试VGE(th)的目的。VGE(th)呈负温度系数特性，经过测试，其温度系数为：-11mV/℃。例如，在25℃时，VGE(th)=3V,到150℃时，VGE(th)只有1.63V。

（3）C-E通态压降VCE(on)测试即指在额定集电电流Ie和额定G-E电VGE下的G-E通态压降。该参数是IGBT营业中的重要参数，其大小直接决定通态损耗的大小。测试原理图见图2a。

（4）续流二管的正向压降VEM测试即指IGBT模块中与IGBT芯片反并的续流二管的正向压降。该值与IGBT模块的关断特性紧密相关，若VEM小，则IGBT关断速度快，关断损耗会减小，但守断时IGBT上的过冲电压尖峰较高；反之，则会造成关断损耗其测试原理如图2b所示

（5）C-E漏电流ICES测试进行该项测试时，G-E应短路，在C-E上加IGBT的额定电压Ve set.测试原理图见图3a。

（6）G-E阻断电压VCES(Bias)测试进行该项测试时，栅和发射应短路。在的集电电流值ICset下，集-射上的小电压即为VCES(Bias)。通常情况下，Ie set=1mA.测试电路见图3b。
IGBT的阻断电压随结温的上升而上升。对于额定电压为600V的IGBT，其VCES(Bias)通常为25℃时的阻断电压，因为它随温度下降而降低，所以在-40℃时，额定电压600V的IGBT模块，其VCES(Bias)≈550V。

2. 动态参数测试

（1）擎住电流LUT测试IGBT的纵向结构为pnpn4层结构，如果条件合适，踏能像晶闸管一样擎住，此时IGBT的负载为阻性负载。通常情况下，集电电压VCC为额定电压60%擎住电流为额定电流的两倍。LUT测试的时序如图4所示。通常测试系统的电流保护值Iprot设定为额定电流的3.5~4倍。

（2）能耗Eloss测试对于电路设计者来说，开关过程中元件内部的能量损耗非常重要，藉此可以计算出开关损耗的平均值。进行此项测试时，IGBT的负载为负载。总的开关损耗值由两部分组成：①开通损耗Eon,其中包括与IGBT芯片反并续流二管的反向恢复损耗；②关断损耗Eoff,包括电流拖尾部分的损耗。IGBT开关损耗波形如图5所示。

（3）反偏安全工作区（RBSOA）测试该项测试主要用于考核IGBT模块关断时工作在大电流和电压下的工作能力。此时，IGBT的负载为负载，其测试原理图和参考波形如图6a所示。

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