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IGBT模块常规测量以及故障维修方法

2020/07/24 | 作者: 广州科誉 | 查看: | 评论: 0 | 来源: 科誉变频器维修培训学校,变频器维修包学会

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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块;IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,随着节能环保等理念的推进,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广,此类产品在市场上将越来越多见。

入手IGBT模块我们应先对其进行一个常规检测。那我们应该如何检测呢?我们可以分为以下几个方面:

1.判断极性

首先将万用表拨在R×1KΩ挡,用万用表测量时,若某一极与其它两极阻值为无穷大,调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大,则判断此极为栅极(G ),其余两极再用万用表测量,若测得阻值为无穷大,调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中,则判断红表笔接的为集电极(C);黑表笔接的为发射极(E)。

2.判断好坏

将万用表拨在R×10KΩ挡,用黑表笔接IGBT的集电极(C),红表笔接IGBT 的发射极(E),此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极(G)和集电极(C),这时IGBT被触发导通,万用表的指针摆向阻值较小的方向,并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E),这时IGBT被阻断,万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。

3.检测注意事项

任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。注意判断IGBT好坏时,一定要将万用表拨在R×10KΩ挡,因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低,检测好坏时不能使IGBT导通,而无法判断IGBT的好坏。此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管(P-MOSFET)的好坏。

调速系统中的核心“变频器”是一个复杂的电子系统,易受到电磁环境的影响而发生损坏。工业系统运行过程中,生产工艺的连续性不允许系统停机,否则将意味着巨大的经济损失。特别是在一些特殊的应用场合,如自动化和宇宙空间系统、核能和危险的化学工厂中,更不允许逆变器因故障停机,规避异常停机所造成的巨大经济损失。

严格地说,在变频器电机构成的控制系统中任何一个功能单元、任何一个元器件发生故障都是可能的,但变频器部分发生故障的几率要远远高于电机。而在变频器中,IGBT在使用过程中经常受到容性或感性负载的冲击,可能导致IGBT的损坏。那么造成IGBT模块损坏的原因是什么呢?

(1)过电流损坏

锁定效应。IGBT为复合器件, 其内有一个寄生晶闸管,在规定的漏极电流范围内,NPN的正偏压不足以使NPN晶体管导通,当漏极电流大到一定程度时, 这个正偏压足以使NPN晶体管开通,进而使NPN或PNP晶体管处于饱和状态,于是寄生晶闸管开通,栅极失去了控制作用,便发生了锁定效应。IGBT发生锁定效应后,集电极电流过大,造成了过高的功耗而导致器件损坏。

长时间过流运行。IGBT模块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器件,才能达到保护器件的目的。

短路超时(>10us)。短路超时是指IGBT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10us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,IGBT必须在更短的时间内被关断。

(2)过电压损坏和静电损坏

IGBT在关断时,由于逆变电路中存在电感成分,关断瞬间产生尖峰电压,如果尖峰电压超过IGBT器件的最高峰值电压,将造成IGBT击穿损坏。IGBT过 电压损坏可分为集电极栅极过电压、栅极-发射极过电压、高du/dt过压电等。大多数过电压保护的电路设计都比较完善,但是对于由高du/dt所导致的过电压故障,基本上都是采用无感电容或者RCD结构吸收电路。由于吸收电路设计的吸收容量不够而造成IGBT损坏,对此可采用电压钳位,往往在集电极-栅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钳位电压时,超出的电压将叠加在栅极上(米勒效应起作用),避免了IGBT因受集电极发射极过电压而损坏。

采用栅极电压动态控制可以解决过高的du/dt带来的集电极发射极瞬间过电压问题,但是它的弊端是当IGBT处于感性负载运行时,半桥结构中处于关断的IGBT,由于其反并联二极管(续流二极管)的恢复,其集电极发射极两端的电压急剧上升,从而承受瞬间很高的du/dt。多数情况下,该du/dt值要比IGBT正常关断时的集电极发射极电压上升率高,由于米勒电容( Cres)的存在,该du/dt值将 在集电极和栅极之间产生一个 瞬间电流,流向栅极驱动电路。该电流与栅极电路的阻抗相互作用,直接导致栅极-发射极电压UGE值的升高,甚至超过IGBT的开通门限电压VGEth值。出现恶劣的情况就是使IGBT被误触发导通,导致变换器的桥臂短路。

(3)过热损坏

过热损坏一般指使用中IGBT模块的结温正超过晶片的最大温度限定,目前应用的IGBT器件还是以Tjmax=150C的NPT技术为主流的,为此在IGBT模块应用中其结温应限制在该值以下。

(4)G-E间开放状态下外加主电路电压

在门极一发射极问开 放的状态下外加主电路电压,会使IGBT自动导通,通过过大的电流,使器件损坏(这种现象是由于G_E问在开放状下,外加主电压,通过IGBT的反向传输电容Cres给门极-发射极间的电毒充电,使IGBT导通而产生的)。在IGBT器件试验时,通过旋转开关等机械开关进行信号线的切换,由于切换时G_E间瞬间变为开放状态,可能产生上述现象而损坏IGBT器件。另外,在机械开关出现振动的情况下,也存在同样的时间段,可能损坏元件。为了防止这种损坏,必须先将主电路(C- -E间)的电压放电至0V,再进行门极信号的切换。另外,对由多个IGBT器件(一组2个以上)构成的装置在进行试验等特性试验时,测试IGBT器件以外的门极一发射极间必须予以短路。

(5)机械应力对产品的破坏

IGBT器件的端子如果受到强外力或振动,就会产生应力,有时会导致损坏IGBT器件内部电气配线等情况。在将IGBT器件实际安装到装置上时,应避免发生类似的应力。如果不固定门极驱动用的印刷基板即安装时,装置在搬运时由于受到振动等原因,门极驱动用的印刷基板也振动,从而使IGBT器件的端子发生应力,引起IGBT器件内部电气配线的损坏等问题。为了防止这种不良情况的发生,需要将门极驱动用的印刷基板固定。

如电气配线用的+、一导体问有高低差时,IGBT器件的端子将处于不断地承受向上拉伸应力的状态,可能导致IGBT器件内部的电气配线断线等问题。为预防此类不良情况的发生加入导电性的衬垫使平行导体间的高低差消失。另外,若出现配线高度位置的偏离,同样会使端子承受很大的拉伸应力或外力,也会出现同样的不良情况。

以上就是IGBT模块的常规检查以及常见故障问题维修方法 。

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