IGBT应用中典型故障分析判断及注意事项的探讨

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ＩＧＢＴ应用中典型故障分析判断及注意事项的探讨

郭宏

（国家广播电影电视总局五六一台　　南昌　　３３０２１２）

摘　要:本文对IGBT在应用中的典型故障进行了分类分析探讨,介绍了两种实用的IGBT故障判断方法,给出了IGBT在使用中的主要注意事项及相关问题的解决措施。

关键词:IGBT 典型故障分析 判断方法 注意事项中图分类号:TQ150文献标识码:A文

章

编号

:1672-3791(2011)08(c)-0096-02

绝缘栅双极型晶体管IGBT,也称绝缘门极晶体管。它是20世纪80年代中期出现的一种新型复合器件,它集成了MOS(绝缘栅型场效应管)和GTR(大功率晶体管)众多优点,不仅具有高输入阻抗、开关速度快、饱和压降低、耐压高、承受电流大等优点,而且工作频率范围宽(可达几十kHz),经过三十多年快速发展,如今IGBT在开关电源、变频器、逆变器、UPS、交流伺服系统、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。

然而,随着IGBT模块的应用普及,其在实际应用中的问题不得不引起重视,由于操作使用不当、保护电路(或装置)选择不合适等原因,都极易导致IGBT模块故障,造成不必要的经济损失。本文,通过对IGBT典型故障、判断方法及注意事项进行探讨,旨在加深使用者对IGBT模块的了解,尽量减少实际应用中IGBT模块的故障率。

１　　ＩＧＢＴ典型故障分析

通过对IGBT在实际应用中的经验总结,主要有过压、过流、过热三大原因导致IGBT发生故障。１．１过压

(1)高dv/dt和集-射过压。

很多使用者都曾遇到过电路中的IGBT莫名其妙就损坏了,更换后正常,却查不出故障原因,于是怀疑是IGBT质量问题。其实,这很可能是使用者对于高dv/dt所引起的过压采用的保护不够重视,常常只采用无感电容或者RCD电路来吸收,当IGBT关断瞬间过高的dv/dt引起过压所占的比例较大时,保护电路吸收不够而导致IGBT的损

坏。简而有效的保护方法就是采用电压箝位式吸收电路,对瞬间过电压进行抑制,具体电路就是在集-射极两端并接齐纳二极管,采用栅极电压动态控制,当集电极电压瞬间超过齐纳二极管的箝位电压时,超出的电压将叠加在栅极上(米勒效应起作用),就可避免IGBT因受集-射过压而损坏。

此外,在栅-射极间开路时,若在集-射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。如果此时集-射极间存在高电压,则有可能使IGBT模块发热及至损坏。

(2)高dv/dt和集-栅过压。

栅极电压动态控制虽可解决因过高dv/dt引起的集-射极瞬间过压问题,但同时它也存在如下弊端,当IGBT工作在感性负载电路中时,半桥结构中处于关断的IGBT,由于其FRD(快速恢复二极管)的恢复,使得其集—射极两端的电压急剧上升,承受瞬间很高的dv/dt,多数情况下该dv/dt值要比IGBT正常关断时的集—射极电压上升率高,由于米勒电容的存在,该dv/dt值将在集-栅极之间产生一个瞬间电流,流向栅极驱动电路,直接导致栅-射极电压Vgeth值的升高,当超过IGBT的开通门限电压Vgeth值,就可能导致IGBT被误触发导通,发生故障损坏,对于此问题,可采用快速吸收电路吸收过电压来解决。１．２过流

(1)长时间过流运行。

长时间过流运行是指IGBT的运行指标达到或超出RBSOA(反偏安全工作区)所限定的电流安全边界(如选型失误,安全系数偏小等),出现这种情况时电路必须能在电流到达RBSOA限定边界前立即关断IGBT,才能起到保护IGBT的作用。

(2)短路超时(>10μs)。

短路超时是指IGBT的所承受的电流值达到或超出SCSOA (短路安全工作区)所限

定的最大边界,比如4～5倍额定电流时,必须在10μs之内关断IGBT,如果此时IGBT所承受的最大电压也超过器件标称值的话,则IGBT必须在更短时间内被关断。

(3)过高di/dt。

过高di/dt引起的IGBT故障,其实也可属于过压范围,很高的di/dt值与线路分布电感的乘积,导致瞬间过压。这种情况可以根据不同功率的IGBT模块,来选用不同的snubber(缓冲)吸收电路来解决。１．３过热

过热一般是指使用中IGBT模块的结温Tj(目前主流的IGBT模块结温额定值Tjmax=150℃)超过晶片的最大温度限定。引起过热的原因有很多情况,栅极电压不足、栅极驱动信号误动作、空载时间不足、超负荷或输出短路过电流、开关频率异常增加、缓冲放电电流过大、栅极电阻值增大、散热不足以及接触面热阻增大、散热设计不完善等缘故,都容易导致IGBT模块过热而失效。为安全起见,一般将IGBT模块工作时的结温控制在125℃以下为宜,必要时可安装温度保护装置。

２　　ＩＧＢＴ故障判断方法

IGBT是否损坏可以通过指针式万用表、CT(晶体管特性曲线描绘器)来判断,以下方法适合大、中功率IGBT单、双模块及集成式模块的检测,现以IGBT单模块为例,测量前需确定被检测IGBT已脱开电路回路,具体测量方法如下。２．１采用指针式万用表测量

如图1所示,先将IGBT的G、E、C极间短路放电数秒,以避免影响测量的准确度。然后将万用表的量程拨在R×10kΩ档,红表笔接的E极,黑表笔接C极,此时所测阻值趋于∞;保持表笔不动,再用手指(或其它导体)将C极与G极短接下后断开,表指针阻值降为某个位置(一般在100kΩ～200kΩ之间左右),且停住不动,则说明IGBT的开通性能基本正常;保持表笔不动,再将G,E极间短接下后断开,阻值又重新变为趋于∞,且表指针停住不动,则说明IGBT的关断性能基本正常。实际上,手指(或其它导体)为IGBT的栅、阴结电容提供了充、放电的通路,当用手指短接下C、G极,是给栅、阴结电容充电,断开后因该电容无放电回路,故电容上的电荷能保持一段时间。该电容上的充电电压,为正向激励电压,使IGBT出现微导通,C、E极间的阻值变小;当再次用

图

１　ＩＧＢＴ

等效电路图

图２　ＣＴ测量ＩＧＢＴ接线图

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手指短接G、E极时,为该电容提供了放电通路,随着电荷的泄放,激励电压消失,IGBT变为截止关断,C、E极间的阻值又趋于∞。

然后将万用表的量程打在R×1kΩ档,红、黑表笔分别正反向测量IGBT的G、E极和G、C极间阻值,对于正常的IGBT,如所测值均应为趋于∞。再用红表笔接C极,黑表笔接E极,若所测阻值为3.5kΩ左右,则所测IGBT内含齐纳二极管,若所测阻值为50kΩ左右,则不含齐纳二极管。如果所测IGBT的三个极间阻值均很小,则说明该IGBT已击穿损坏;若所测三个极间阻值均为∞,则说明该IGBT已开路损坏。

一般的指针式万用表均可用于检测IGBT的好坏,在检测时需注意,因IGBT导通需较高的正向激励电压(约10V左右),故需将万用表拨在R×10kΩ档(该档位内部电池电压为9V或12V),其它各电阻档位因内部电池电压太低(一般为1.5V),无法使IGBT模块导通,从而无法正确判断模块的好坏。

２．２采用ＣＴ装置测量

我们也可采用CT对用以下方法进行测量来判断IGBT是否正常。如图2所示。

(1)将C-E极间短路,测量G-E极间的漏电流,如果正常,其漏电流应该为数百nA级内。

(2)将G-E极间短路,测量C-E极间的漏电流,如果正常,其漏电流应该小于模块额定ICES最大值。如出现其他情况,则说明IGBT已损坏。（上接９５页）

酸洗过程连续进行,可视为不可压缩的恒定流过程,故可利用流体连续性方程:

Q=Q1+Q2+…+Qi (1)改写为以下形式:

Aυ=A1υ1+A2υ2+…+Ai …… 此处隐藏：4038字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……