IGBT模块测量与判断
本文只是论述由单只IGBT管子或双管做成的逆变模块，及其有关测量和判断好坏的方法。IPM模块不在本文讨论内容之内。
IGBT的等效电路及符号如下图：
常用IGBT单、双管模块（CM200Y-24NF）的引脚功能图如下：
FP24R12KE3 集成式模块的引脚功能图：
在拆机前，可对模块的好坏进行大致的测量，来进行初步的判断。以上图为例：4、5、6端子即为变频器的U、V、W输出端，22、24分别为变频器内部直流主电路的P（+）端和N（-）端。找到这5个端子后，用数字或指针式万用表都可以测量了。U、V、W三端子都对P、N端子有正、反向电阻。在IGBT管子正常的情况下，管子C、E之间电阻是无穷大的。只能测出管子上并联的6只二极管的正、反向电阻。如果把4、5、6端子看成三相交流输入端的话，六只二极管相当于一个三相整流桥电路，用测量和判断三相整流桥的方法就可以了。
一、在线测量：
1、测量这个“三相整流桥”不正常了，则为模块损坏了；
2、测量这个“三相整流桥”是正常的，还不能确定模块就是好的。应打开变频器的主电路板，进行进一步的测量和验定。即测量触发端子及内电路是否正常。因触发端子上往往并联了10k（大功率机型并联3k）左右的电阻，所以触发端子的正反向在线电阻都应为所并联电阻的阻值。这6个触发端子的阻值都应是一样的。如某一路触发端子有了正反向电阻的差
异，或是有电阻变小的现象，排除驱动电路的故障后，则是此模块已损坏了。
3、触发端子的电阻测量也正常了，一般情况下认为模块基本上是好的。但此时宣布模块绝无问题，似乎尚为时过早。见后叙。
二、脱机测量：
1、此法常用于大功率单、双模块和新购进集成式模块的的测量。
将单、双管模块脱开电路后（或为新购进的模块），可采用测量场效应管子（MOSFET）方法来测试了。MOSFET的栅阴极间有一个结电容的存在，故由此决定了极高的输入阻抗和电荷保持功能。可利用此一特点有效地检测IGBT管子的好坏。
方法是：将指针式万用表打到x10k档，黑表接C极，红表笔接E极，此时所测量电阻值近乎无穷大；搭好表笔不动，用手指将C极与G极碰一下并拿开，指示由无穷大阻值降为200k左右；过几十秒钟甚至于更长一点的时间，再测一下C、E间电阻（仍是黑表笔接C极），仍能保护200k左右的电阻不变；搭好表笔不动，用手指短接一下G、E极，C、E极之间的电阻又重新变为接近无穷大。
（当然，E极搭黑笔，C极搭红笔，是一只二极管的正向电阻的阻值了。如呈开路状态，说明IGBT管子也是坏的了。以下将此一测量过程略去。）实际上，用手指碰一下C、G，是给栅、阴结电容充电，拿开手指后，因此电容无放电回路，故电容上的电荷能保持一段时间。此电容上的充电电压，为正向激励电压，使IGBT管子出现微导通，C、E之间的电阻减小；
第二次用手指短接G、E时，提供了电容的放电通路，随着电荷的泄放，IGBT的激励电压消失，管子变为截止，C、E之间的电阻又趋于无穷大。手指相当于一只阻值为kΩ级的电阻，提供栅阴极结电容充、放电的通路；因IGBT管子的导通需较高的正向激励电压（10V以上），所以用万表的x10k 档，此档位内部电池供电为9V或12V，以满足IGBT管子激励电压的幅度。对触发端子的测量，还可以配合电容表测其容量，以增加判断的准确度。往往功率容量大的模块，两端子间的电容值也稍大。
2、下面为双管模块CM100DU-24H和SKM75GB128DE，及集成式模块FP24R12KE3，用MF47C指针式万用表，×10k档测量得出的数据：
CM200Y-24NF模块：主端子C1，C2E1 E2 触发端子C1 E1 C2 E2；触发后为C、E电阻为250k；
用电容表200nF档测量为36.7nF，反测（黑笔搭G端子，红笔搭E端子）为50 nF。SKM75GB128DE 主端子同上，触发后C、E电阻为250k；
触发端子电容:正测4.1 nF,反测12.3 nF。
FP24R12KE3 集成模块,也可采用此法,触发后为C、E电阻为200k左右；触发端子电容正测6.9 nF,反测10.1 nF。
IGBT短路保护的应用及意义 IGBT短路保护电路可以实现快速保护，同时能节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，可以应用于大型的高频逆变器。 在变频器的内部的直流电源部分的输出（连接到逆变器）的两根线上分别有两个霍尔器件.在正常情况下，流出直流源(流入逆变器)的电流和流回直流源（从逆变器流回）的电流是相等的。两个霍尔器件上的电压是平衡的.一旦发生接地故障，流出直流源的电流同流回直流源的电流不等，两个两个霍尔器件上的电压不等，变频器检测到这种情况，就立刻发出报警信号，实施接地保护，所以接地保护的基本原理，并不是靠出现了较大的接地短路电流来进行保护的。 1、短路保护的工作原理 2、图11-2所示为工作在ＰＷＭ整流状态的Ｈ型桥式ＰＷＭ变换电路（此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两只ＩＧＢＴ未画出），图11-2为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析（对于三相ＰＷＭ电路，
在整流、逆变工作状态或单相ＤＣ／ＤＣ工作状态下，ＰＷＭ电路的分析过程及结论基本类似）。 在图11-2所示的电路中，在市电电源Ｕｓ的正半周期，将Ｕｇ２.４所示的高频驱动信号加在下半桥两只ＩＧＢＴ的栅极上，得到管压降波形ＵＴ２Ｄ。其工作过程分析如下：在ｔ１～ｔ２时刻，受驱动信号的作用,Ｔ２、Ｔ４导通（实际上是Ｔ２导通, Ｄ４处于续流状态），在Ｕｓ的作用下通过电感ＬＳ的电流增加，在Ｔ２管上形成如图11-2中ＵＴ２Ｄ所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在ＩＧＢＴ导通时的体电阻上产生的压降；在ｔ２～ｔ３时刻，Ｔ２、Ｔ４关断，由于电感ＬＳ中有储能，因此在电感ＬＳ的作用下，二极管Ｄ２、Ｄ４续流，形成图11-3中ＵＴ２.Ｄ的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到ＩＧＢＴ导通时的管压降的值，应该将在ｔ１～ｔ２时刻ＩＧＢＴ导通时的管压降保留，而将在ｔ２～ｔ３时刻检测到的ＩＧＢＴ的管压降的值剔除，即将图11-3中ＵＴ２.Ｄ的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于ＩＧＢＴ的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。 图11-2 IGBT短路保护电路原理图 图11-2
IGBT的结构和工作原理 图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。 2.IGBT 的工作特性 1.静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内，Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示： Uds(on) ＝Uj1 ＋Udr ＋IdRoh 式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。
IGBT双脉冲测试方法详解 IGBT双脉冲测试方法的意义： 1.对比不同的IGBT的参数； 2.评估IGBT驱动板的功能和性能； 3.获取IGBT在开通、关断过程的主要参数，以评估Rgon及Rgoff的数值是否合适。通常我们对某款IGBT的认识主要是通过阅读相应的datasheet，但实际上，数据手册中所描述的参数是基于一些已经给定的外部参数测试得来的，而实际应用中的外部参数都是个性化的，往往会有所不同，因此这些参数有些是不能直接拿来使用的。我们需要了解IGBT 在具体应用中更真实的表现； 4.开通、关断过程是否有不合适的震荡； 5 评估二极管的反向恢复行为和安全裕量； 6.IGBT关断时的电压尖峰是否合适，关断之后是否存在不合适的震荡； 7.评估IGBT并联的均流特性； 8.测量母排的杂散电感； 要观测这些参数，最有效的方法就是：“双脉冲测试方法”！ 双脉冲测试平台的电路 双脉冲测试的基本实验波形 双脉冲实验的基本原理（1）： 在t0时刻，门极放出第一个脉冲，被测IGBT 饱和导通，电动势U加在负载L上，电 感的电流线性上升，电流表达式为： t1时刻，电感电流的数值由U和L决定，在U和L都确定时，电流的数值由t1决定，时间越长，电流越大。因此可以自主设定电流的数值。
双脉冲实验的基本原理（2）： IGBT关断，负载的电流L的电流由上管二极管续流，该电流缓慢衰减，如图虚线所示。由于电流探头放在下管的发射极处，因此，在二极管续流时，IGBT关断，示波器上是看不见该电流的。 双脉冲实验的基本原理（3）： 在t2时刻，第二个脉冲的上升沿到达，被测IGBT 再次导通，续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流会穿过IGBT ，在电流探头上能捕捉到这个电流，如下图所示。 在该时刻，重点是观察IGBT 的开通过程。反向恢复电流是重要的监控对象，该电流的形态直接影响到换流过程的许多重要指标。
igbt工作原理及应用 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的保护 引言 绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,因此,可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点,又具有双极型器件容量大的优点,因而,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,电源作为系统的前级,由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而,在选择IGBT时除了要作降额考虑外,对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。 1 IGBT的工作原理 IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止 由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：
——IGBT栅极与发射极之间的电压; ——IGBT集电极与发射极之间的电压; ——流过IGBT集电极－发射极的电流; ——IGBT的结温。 如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。 2 保护措施 在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相应的保护措施。 2．1 IGBT栅极的保护 IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电路加上
IGBT短路测试方法详解 在开发电力电子装置的过程中，我们需要做很多的测试，但是短路测试常常容易被忽略，或者虽然对装置实施了短路测试，但是实际上并不彻底和充分。下面2种情况比较常见： 1. 没有实施短路测试， a. 因为觉得这个实验风险太大，容易炸管子，损失太大； b. 觉得短路时电流极大，很恐怖； 2. 实施了短路测试，但测试标准比较简单，对短路行为的细节没有进行观察 本文将详细介绍正确的，完整的短路测试方法，及判断标准。 短路的定义（1）： 桥内短路（直通） 命名为“一类”短路 硬件失效或软件失效 短路回路中的电感量很小(100nH级) VCE sat 检测 桥臂间短路（大电感短路） 命名为“二类”短路 相间短路或相对地短路 短路回路中的电感量稍大(uH级的) 可以使用Vcesat ，也可以使用霍尔，根据电流变化率来定这类短路的回路中的电感量是不确定的
一类短路测试的实施方法一： 下图为实施一类短路测试时的示意图。电网电压经过调压器，接触器，将母线电容电 压充到所需要的值，再断开接触器。上管IGBT的门极被关断，且上管用粗短的铜排进行短路。对下管IGBT释放一个单脉冲，直通就形成了。这就是一个典型的一类短路测试。 一类短路测试的实施方法一的注意事项： 该测试需要注意的事项： 1. 该测试的关注对象是电容组，母排，杂散电感，被测IGBT； 2 短路回路中的电感量很低，所以上管的短路排的电感量可以极大地影响测量的结果，因此绝不可忽视图中所示“粗短铜排”的长短和粗细； 3. 短路测试的能量全部来自母排电容组，通常来说，虽然短路电流很大，但是因为时 间极短，所以这个测试所消耗的能量很小，实验前后电容上的电压不会有明显变化；
IGBT 驱动原理 目录 一、简介 二、工作原理 三、技术现状 四、测试方法 五、选取方法 简介： 绝缘栅双极晶体管IGBT 是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管GTR 和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高 (10-40 kHz) 的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。广泛应用于小体积、高 效率的变频电源、电机调速、UPS 及逆变焊机当中。IGBT 的驱动和保护是其应用中的关 键技术。 1 IGBT 门极驱动要求 1.1 栅极驱动电压 因IGBT 栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET 驱动技术进行驱动，但IGBT 的输入电容较MOSFET 大，所以IGBT 的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。图 1 是一个典型的例子。在+20 ℃情况下，实测60 A ，1200 V 以下的IGBT 开通电压阀值为 5 ～6 V ，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc ≥(1.5 ～3)Uge(th) ，当Uge 增加时，导通时集射电压Uce 将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中Uge 增加，集电极电流Ic 也将随之增加，使得IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc 的选择不应太大，这足以使IGBT 完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力( 在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT 时，+Uge 在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力) 。
1.2 对电源的要求 对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT 关断时产生的du/dt 误使IGBT 导通，应加上一个-5 V 的关栅电压，以确保其完全可靠的关断 ( 过大的反向电压会造成IGBT 栅射反向击穿，一般为-2 ～10 V 之间) 。 1.3 对驱动波形的要求 从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使IGBT 快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在IGBT 关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下，IGBT 过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压Ldi/dt ，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成IGBT 或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及du/dt 吸收电路性能综合考虑。 1.4 对驱动功率的要求 由于IGBT 的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出： I GP = △ U ge /R G +R g ； 式中△Uge=+Uge+|Uge| ；RG 是IGBT 内部电阻；Rg 是栅极电阻。 驱动电源的平均功率为： P AV =C ge △ Uge 2 f, 式中． f 为开关频率；Cge 为栅极电容。 1.5 栅极电阻 为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT 集电极的电压尖峰，应在IGBT 栅极串上合适的电阻Rg 。当Rg 增大时，IGBT 导通时间延长，损耗发热加剧；Rg 减小时，di/dt 增高，可能产生误导通，使IGBT 损坏。应根据IGBT 的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取Rg 的数值。通常在几欧至几十欧之间( 在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整) 。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏 IGBT ，建议在栅射间加入一电阻Rge ，阻值为10 k Ω左右。 1.6 栅极布线要求 合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护IGBT 正常工作有很大帮助。 a ．布线时须将驱动器的输出级和lGBT 之间的寄生电感减至最低( 把驱动回路包围的面积减到最小) ； b ．正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合； c ．应使用辅助发射极端子连接驱动电路； d ．驱动电路输出不能和IGBT 栅极直接相连时，应使用双绞线连接(2 转/ cm) ； e ．栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。 1.7 隔离问题
IGBT过流与短路保护 IGBT过流与短路保护 IGBT是高频开关器件，芯片内部的电流密度大。当发生过流或短路故障时，器件中流过的大于额定值的电流时，极易使器件管芯结温升高，导致器件烧坏。因此，对IGBT的过流或短路保护响应时间必须快，必须在10us以内完成。应用实践表明：过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障和损坏IGBT的主要原因之一，过流保护应当首先考虑。须指出的是：过流与短路保护是两个概念，它们既有联系也有区别。过流大多数是指某种原因引起的负载过载；短路是指桥臂直通，或主电压经过开关IGBT的无负载回路，它们的保护方法也有一定区别。如过流保护常用电流检也传感器，短路保护常通过检测IGBT饱和压降，配合驱动电路来实现。不同的功率有不同的方法来实现过流或短路保护。 1、小功率IGBT模块过流保护 对于小功率IGBT模块，通常采用直接串电阻的方法来检测器件输出电流，从而判断过电流故障，通过电阻检测时，无延迟；输出电路简单；成本低；但检测电路与主电路不隔离，检测电阻上有功耗，因此，只适合小功率IGBT模块。比如：5.5KW以下的变频器。 2、中功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护 中功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护，一种方法是仍然采用电阻检测法，为了降低电阻产生功耗及发热生产的影响，可把带散热器件的取样电阻固定在散热器上，以测量更大的电流。 ３、中、大功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护 对于大、中功率IGBT模块的电流检测与过流保护常采用电流传感器。但需注意要选择满足响应速度要求的电流传感器。由于需要配置检测电源，成本较高，但检测电路与主电路隔离，适用于大功率的IGBT模块。保护电路动作的时间须在10us之内完成。 4、通过检测IGBT饱和压降实现短路保护 IGBT通常工作在逆变桥上，并处于开关工作状态，若设计不当，易于发生短路现象。对于短路保护，常用的方法是通过检测IGBT的饱和压降Vce(sat)来实现短路保护，它往往配合驱动电路来实现，其基本原理如图所示：
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IGBT的工作原理和工作特性 IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。 IGBT的工作特性包括静态和动态两类： 1．静态特性 IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。 IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，
其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示: Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh （2－14） 式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～IV； Udr——扩展电阻Rdr上的压降；Roh——沟道电阻。 通态电流Ids可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos (2－15） 式中Imos——流过MOSFET的电流。 由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V 的IGBT通态压降为2～3V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 2．动态特性 IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应
解析IGBT工作原理及作用 一、IGBT是什幺 ?IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，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。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小， 开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流 系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 ?通俗来讲:IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。三大特点就是高压、大电流、高速。 ?二、IGBT模块 ?IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为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，又具有双极型器件饱和压降 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。 ?IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之 间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之 间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，
IGBT 的工作原理和工作特性 IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。 当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
IGBT的工作特性包括静态和动态两类： 1．静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。 IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系.IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示 Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh（2－14） 式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～IV；
IGBT管的结构与工作原理 1.IGBT的结构与工作原理图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。 2.IGBT 的工作特性 1.静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无 N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最
IGBT怎么测量好坏 l 、判断极性首先将万用表拨在R×1K 。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×10KQ 档，用黑表笔接IGBT 的集电极 （C ) ，红表笔接IGBT 的发时极( 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 ) ，这时工GBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站们指示在某一位置。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 、注意事项任何指针式万用表铃可用于检测IGBT 。注意判断IGBT 好坏时，一定要将万用表拨在R×IOK挡，因R×IKQ 档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护检测功率场效应晶体管( P 一MOSFET ）的好坏。 IGBT功率模块的万用表检测方法 IGBT 管的好坏可用指针万用表的 Rxlk 挡来检测，或用数字万用表的“二极管”挡来测量 PN 结正向压降进行判断。检测前先将IGBT 管三只引脚短路放电，避免影响检测的准确度；然后用指针万用表的两枝表笔正反测 G 、 e 两极及 G 、 c 两极的电阻，对于正常的 IGBT 管（正常 G 、 C 两极与 G 、c 两极间的正反向电阻均为无穷大；内含阻尼二极管的 IGBT 管正常时， e 、C 极间均有 4k Ω正向电阻），上述所测值均为无穷大；最后用指针万用表的红笔接 c 极，黑笔接 e 极，若所测值在 3 ． 5k Ωl 左右，则所测管为含阻尼二极管的 IGBT 管，若所测值在 50k Ω左右，则所测 IGBT 管内不含阻尼二极管。对于数字万用表，正常情况下， IGBT 管的 C 、 C 极间正向压降约为 0 ． 5V 。 综上所述，内含阻尼二极管的 IGBT 管检测示意图如图所示，表笔连接除图中所示外，其他连接检测的读数均为无穷大。 如果测得 IGBT 管三个引脚间电阻均很小，则说明该管已击穿损坏；若测得 IGBT 管三个引脚间电阻均为无穷大，说明该管已开路损坏。实际维修中IGBT 管多为击穿损坏。 如果觉得以上方法不够形象，可以用指针万用表的10K电阻档，黑笔接模块C1，红笔接E1，一只手的大拇指摸到C1,另随便一手指摸G1，此时万用表显示模块导通；用手指将G1对E1短接，模块关断。同理，再测C2和E2。
1．检测短路时U CE在增大的短路保护电路 图5-14所示是采用IGBT过流时U CE增大的原理构成的保护电路，该电路采用IGBT专用驱动器EXB841。EXB841内部电路能很好地完成降栅压及软关断功能，并具有内部延迟功能，以消除干扰产生的误动作。如果发生短路，含有IGBT过流信息的U CE不直接送至EXB841的IGBT集电极电压监视脚⑥上，而是快速关断快速恢复二极管VD1，使比较器IC1 (LM339)的U+电压大于U-电压，比较器输出高电平，由VD1送至EXB841的⑧脚，启动EXB841内部电路中的降栅压及软关断电路，低速切断电路慢速关断IGBT。这样既避免了集电极电流尖峰损坏IGBT，又完成了IGBT短路保护。该电路的特点是，消除了由VD1正向压降随电流不同而引起的关断速度不同的差异，提高了电流检测的准确性，同时由于直接利用EXB841内部电路中的降栅压及软关断功能，整体电路简单可靠。 2．利用电流互感器检测IGB1’过流的短路保护电路 图5-15所示是利用电流传感器检测IGBT过流的短路保护电路，电流传感器(SC)初级（1匝）串接在IGBT的集电极电路中，次级感应的过流信号经整流后送至比较器IC1的同相输入端，与反相端的基准电压进行比较后，IC1的输出送至具有正反馈的比较器IC2，其输出接至PWM控制器UC3525的输出控制脚⑩。不过流时，A点电位UA 国信嘉宁数据技术有限公司 XXX系统 安全测试报告 创建人：xxx 创建时间：xxxx年xx月xx日 确认时间： 当前版本：V1.0 文档变更记录 *修订类型分为：A－ADDED，M－MODIFIED，D－DELETED。 目录 1.简介 (4) 1.1.编写目的 (4) 1.2.项目背景 (4) 1.3.系统简介 (4) 1.4.术语定义和缩写词 (4) 1.5.参考资料 (4) 2.测试概要 (5) 2.1.测试范围 (5) 2.2.测试方法和测试工具 (5) 2.3.测试环境与配置 (8) 3.测试组织 (8) 3.1.测试人员 (8) 3.2.测试时间细分及投入人力 (8) 4.测试结果及缺陷分析 (9) 4.1.测试执行情况统计分析 (9) 4.2.遗留缺陷列表 (9) 5.测试结论 (9) 6.测试建议 (10) 1.简介 1.1.编写目的 描述编写本测试报告需要说明的内容。 如：本报告为XX项目的安全测试报告，目的在考察系统安全性、测试结论以及测试建议。 1.2.项目背景 对项目背景进行简要说明，可从需求文档或测试方案中获取。 1.3.系统简介 对所测试项目进行简要的介绍，如果有设计说明书可以参考设计说明书，最好添加上架构图和拓扑图。 1.4.术语定义和缩写词 列出设计本系统/项目的专用术语和缩写语约定。对于技术相关的名词和与多义词一定要注明清楚，以便阅读时不会产生歧义。 如： 漏洞扫描： SQL注入： 1.5.参考资料 请列出编写测试报告时所参考的资料、文档。 需求、设计、测试案例、手册以及其他项目文档都是范围内可参考的资料。 测试使用的国家标准、行业指标、公司规范和质量手册等等。 IGBT的工作原理和作用以及IGBT管的检测方法 IGBT的工作原理和作用IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V（大于6V，一般取12V到15V）时IGBT 导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。 IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。 IGBT有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移（半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因），本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。如果撤掉加在GS两端的电压，这层导电的沟道就消失了，就不可以导电了，变成了绝缘体。 IGBT的工作原理和作用电路分析IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。 图1 IGBT的等效电路 由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定： --IGBT栅极与发射极之间的电压； --IGBT集电极与发射极之间的电压； --流过IGBT集电极-发射极的电流； --IGBT的结温。 如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能 IGBT短路原因及其保护措施 工作时，外部事故或者硬件/软件的错误会导致短路。根据短路发生的时间点与IGBT工作状态的不同，可以分为以下两种短路： ·SC1短路，IGBT开通前已经发生短路； ·SC2短路，IGBT开通后发生短路。 实际短路电流常常超过IGBT数据手册中标注的短路电流l SC，这是由于实际工况往往超规格书给定条件。通常这些给定条件包括栅极电压U GE为15V，最大结温T vi,op(125℃或150℃)，特定的直流母线电压UDC和最大持续时间。由此产生的短路电流存在以下关系： 如果T vi,op升高，则l SC下降；如果U DC或U GE增大，则l CS增大。 l SC=f(T vi,op↑↓，U DC↑↓，U GE↑↓)(1) 控制T vi,op和U DC相对容易，而控制U GE很困难，这是由于IGBT的反馈电容C GC(密勒电容)造成的。 短路时，IGBT集电极和发射极之间出现高电压变化率dU CE/dt。特别是在SC2短路中，IGBT从低导通压降U CEsat的饱和状态迅速进入退饱和状态，从而几乎承受全部直流母线电压U DC与换流路径杂散电感造成的过冲电压之和。电压突变产生反馈电流I GC，其可能导致IGBT栅极电容进一步充电，导致栅极电压升高甚至超过驱动电路产生的标称栅极电压。根据IGBT的跨导，随着栅极电压的提升，集电极电流相应增加(不受外部条件的限制)。数据手册中的转移特性描述了这种对应关系，一般给出最高到两倍标称电流I nom的曲线，如图1所示。 图1摘自450A IGBT模块数据手册的转移特性I c=f(U GE)限制IGBT栅极电压对于限制短路电流非常重要。为了实现该目的，可以采用以下措施： ·使用较小的栅极电阻R G，这会降低由电流I GC引起的压降，从而抑制栅极电压； ·添加外部栅-射极电容。电流l GC需对更大的门极电容充电，但IGBT模块内部电阻R gint使得内外电容解耦，从而限制了这种措施带来的好处； ·通过快速齐纳二极管限制栅-射极电压。考虑到电源电压的误差及二极管温漂的影响，选择比栅极额定电压高2~3V即可； ·也可以通过快速PN二极管或肖特基二极管把栅极钳位到驱动电源正电压，根据电源的公差和驱动电路内部的压降，可以保证栅极电压超过标称电压 0.3-3V。如果使用肖特基二极管，应该选择那些高温时仍然保持较低漏电流的器件；否则，高结温下漏电流很大，会增加驱动电源的压力； ·降低栅极工作电压到14V左右，同时使用上文所述的一种或多种措施，以降低短路时栅极的最大电压。缺点是IGBT的通态损耗会增加； IGBT工作原理及应用 1 IGBT的工作原理IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通, 这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止由此可知,IGBT的安 全可靠与否主要由以下因素决定：IGBT栅极与发射极之间的电压;IGBT集电极与发射极之间的电压;流过IGBT集电极－发射极的电流;IGBT的结温。如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极 与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT 集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT 的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。2 保护措施在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相应的保护措施。 2、1 IGBT栅极的保护IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的 电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集 电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电路加上电压,则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生,应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几kΩ的电阻,此电阻应尽量靠近栅极与发射极。如图2所示。由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体,特别是其栅极为MOS结构,因此除了上述应有的保护之外,就像其他MOS 结构器件一样,IGBT对于静电压也是分敏感的,故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：在需要用手接触IGBT前,应先将人体上的静电放电后再进行操作,并尽量不要接触模块的驱动端子部分,必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉;在焊接作业时,为了防止静电可能损坏IGBT,焊机一定要可靠地接地。IGBT在不间断电源的应用、2、2 集电极与发射极间的过压保护过电压的产生主要有两种情况,一种是施加到IGBT集电极－发射极间的直流电压过高,另一种为集电极－发射极上的浪涌电压过高。 2、2、1 直流过电压直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT 时,进行降额设计;另外,可在检测出这一过压时分断IGBT的输入,保证IGBT的安全。系统安全测试报告模版V
IGBT的工作原理和作用以及IGBT管的检测方法
IGBT短路原因及其保护措施
IGBT工作原理及应用
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