IGBT模塊常規測量以及故障維修方法

• 電路板維修培訓

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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(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興產業，隨著節能環保等理念的推進，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣，此類產品在市場上將越來越多見。

入手IGBT模塊我們應先對其進行一個常規檢測。那我們應該如何檢測呢？我們可以分為以下幾個方面：

1.判斷極性

首先將萬用表撥在R×1KΩ擋，用萬用表測量時，若某一極與其它兩極阻值為無窮大，調換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無窮大，則判斷此極為柵極(G )，其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調換表筆后測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中，則判斷紅表筆接的為集電極(C);黑表筆接的為發射極(E)。

2.判斷好壞

將萬用表撥在R×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT的集電極(C)，紅表筆接IGBT 的發射極(E)，此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下柵極(G)和集電極(C)，這時IGBT被觸發導通，萬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。然后再用手指同時觸及一下柵極(G)和發射極(E)，這時IGBT被阻斷，萬用表的指針回零。此時即可判斷IGBT是好的。

3.檢測注意事項

任何指針式萬用表皆可用于檢測IGBT。注意判斷IGBT好壞時，一定要將萬用表撥在R×10KΩ擋，因R×1KΩ擋以下各檔萬用表內部電池電壓太低，檢測好壞時不能使IGBT導通，而無法判斷IGBT的好壞。此方法同樣也可以用于檢測功率場效應晶體管(P-MOSFET)的好壞。

調速系統中的核心“變頻器”是一個復雜的電子系統，易受到電磁環境的影響而發生損壞。工業系統運行過程中，生產工藝的連續性不允許系統停機，否則將意味著巨大的經濟損失。特別是在一些特殊的應用場合，如自動化和宇宙空間系統、核能和危險的化學工廠中，更不允許逆變器因故障停機，規避異常停機所造成的巨大經濟損失。

嚴格地說，在變頻器?電機構成的控制系統中任何一個功能單元、任何一個元器件發生故障都是可能的，但變頻器部分發生故障的幾率要遠遠高于電機。而在變頻器中，IGBT在使用過程中經常受到容性或感性負載的沖擊，可能導致IGBT的損壞。那么造成IGBT模塊損壞的原因是什么呢?

(1)過電流損壞

①鎖定效應。IGBT為復合器件， 其內有一個寄生晶閘管，在規定的漏極電流范圍內，NPN的正偏壓不足以使NPN晶體管導通，當漏極電流大到一定程度時， 這個正偏壓足以使NPN晶體管開通，進而使NPN或PNP晶體管處于飽和狀態，于是寄生晶閘管開通，柵極失去了控制作用，便發生了鎖定效應。IGBT發生鎖定效應后，集電極電流過大，造成了過高的功耗而導致器件損壞。

②長時間過流運行。IGBT模塊長時間過流運行是指IGBT的運行指標達到或超出RBSOA(反偏安全工作區)所限定的電流安全邊界(如選型失誤、安全系數偏小等)，出現這種情況時，電路必須能在電流到達RBSOA限定邊界前立即關斷器件，才能達到保護器件的目的。

③短路超時(>10us)。短路超時是指IGBT所承受的電流值達到或超出SCSOA(短路安全工作區)所限定的最大邊界，比如4-5倍額定電流時，必須在10us之內關斷IGBT。如果此時IGBT所承受的最大電壓也超過器件標稱值，IGBT必須在更短的時間內被關斷。

(2)過電壓損壞和靜電損壞

IGBT在關斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關斷瞬間產生尖峰電壓，如果尖峰電壓超過IGBT器件的最高峰值電壓，將造成IGBT擊穿損壞。IGBT過 電壓損壞可分為集電極柵極過電壓、柵極-發射極過電壓、高du/dt過壓電等。大多數過電壓保護的電路設計都比較完善，但是對于由高du/dt所導致的過電壓故障，基本上都是采用無感電容或者RCD結構吸收電路。由于吸收電路設計的吸收容量不夠而造成IGBT損壞，對此可采用電壓鉗位，往往在集電極-柵極兩端并接齊納二極管，采用柵極電壓動態控制，當集電極電壓瞬間超過齊納二極管的鉗位電壓時，超出的電壓將疊加在柵極上(米勒效應起作用)，避免了IGBT因受集電極發射極過電壓而損壞。

采用柵極電壓動態控制可以解決過高的du/dt帶來的集電極發射極瞬間過電壓問題，但是它的弊端是當IGBT處于感性負載運行時，半橋結構中處于關斷的IGBT，由于其反并聯二極管(續流二極管)的恢復，其集電極發射極兩端的電壓急劇上升，從而承受瞬間很高的du/dt。多數情況下，該du/dt值要比IGBT正常關斷時的集電極發射極電壓上升率高，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生一個 瞬間電流，流向柵極驅動電路。該電流與柵極電路的阻抗相互作用，直接導致柵極-發射極電壓UGE值的升高，甚至超過IGBT的開通門限電壓VGEth值。出現惡劣的情況就是使IGBT被誤觸發導通，導致變換器的橋臂短路。

(3)過熱損壞

過熱損壞一般指使用中IGBT模塊的結溫正超過晶片的最大溫度限定，目前應用的IGBT器件還是以Tjmax=150C的NPT技術為主流的，為此在IGBT模塊應用中其結溫應限制在該值以下。

(4)G-E間開放狀態下外加主電路電壓

在門極一發射極問開 放的狀態下外加主電路電壓，會使IGBT自動導通，通過過大的電流，使器件損壞(這種現象是由于G_E問在開放狀下，外加主電壓，通過IGBT的反向傳輸電容Cres給門極-發射極間的電毒充電，使IGBT導通而產生的)。在IGBT器件試驗時，通過旋轉開關等機械開關進行信號線的切換，由于切換時G_E間瞬間變為開放狀態，可能產生上述現象而損壞IGBT器件。另外，在機械開關出現振動的情況下，也存在同樣的時間段，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,再進行門極信號的切換。另外，對由多個IGBT器件(一組2個以上)構成的裝置在進行試驗等特性試驗時，測試IGBT器件以外的門極一發射極間必須予以短路。

(5)機械應力對產品的破壞

IGBT器件的端子如果受到強外力或振動，就會產生應力，有時會導致損壞IGBT器件內部電氣配線等情況。在將IGBT器件實際安裝到裝置上時，應避免發生類似的應力。如果不固定門極驅動用的印刷基板即安裝時，裝置在搬運時由于受到振動等原因，門極驅動用的印刷基板也振動，從而使IGBT器件的端子發生應力，引起IGBT器件內部電氣配線的損壞等問題。為了防止這種不良情況的發生，需要將門極驅動用的印刷基板固定。

如電氣配線用的+、一導體問有高低差時，IGBT器件的端子將處于不斷地承受向上拉伸應力的狀態，可能導致IGBT器件內部的電氣配線斷線等問題。為預防此類不良情況的發生加入導電性的襯墊使平行導體間的高低差消失。另外，若出現配線高度位置的偏離，同樣會使端子承受很大的拉伸應力或外力，也會出現同樣的不良情況。

以上就是IGBT模塊的常規檢查以及常見故障問題維修方法 。

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