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绝缘栅双极晶体管(IGBT)基础知识绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT)GTR和MOSFET复合,结合二者的优点1986年投入市场后,取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量,以期再取代GTO的地位1. IGBT的结构和工作原理三端器件:栅极G、集电极C和发射极EIGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图b) 简化等效电路c) 电气图形符号(1)IGBT的结构如图所示,N沟道MOSFET与GTR组合——N沟道IGBT(N-IGBT),IGBT比P-MOSFET多一层P+注入区,形成了一个大面积的P+N结J1,使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子,从而对漂移区电导率进行调制,使得IGBT具有很强的通流能力简化等效电路表明,IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构,一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管RN为晶体管基区内的调制电阻(2)IGBT的工作原理驱动原理与电力MOSFET基本相同,场控器件,通断由栅射极电压UGE决定导通:UGE大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通,导通压降:电导调制效应使电阻RN 减小,使通态压降小关断:栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断2. IGBT的静态工作特性IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性b) 输出特性(1)转移特性:IC与UGE间的关系,与MOSFET转移特性类似。

开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降,在+25?C时,UGE(th)的值一般为2~6V(2)输出特性(伏安特性):以UGE为参考变量时,IC与UCE间的关系分为四个区域:正向阻断区、有源区、饱和区和击穿区。

UCE<0时,IGBT为反向阻断工作状态3. IGBT的动态特性IGBT的开关过程(1)IGBT的开通过程与MOSFET的相似,因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。

开通延迟时间td(on) ——从UGE上升至其幅值10%的时刻,到iC上升至10% ICM电流上升时间tr ——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和UCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。

tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程;tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程(2)IGBT的关断过程关断延迟时间td(off) ——从UGE后沿下降到其幅值90%的时刻起,到iC下降至90%ICM电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。

tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程,iC下降较快;tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程,iC下降较慢IGBT中双极型PNP晶体管的存在,虽然带来了电导调制效应的好处,但也引入了少子储存现象,因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET 4. IGBT的主要参数除了前面介绍的td(on)、tr、td(off)、tf、UGE(th)之外,还包括:1)最大集射极间电压:包括栅射极短路时最大集射极间直流电压UCES;栅射极开路时最大集射极间直流电压UCEO;栅射极反偏压时最大集射极间直流电压UCEX。

通常,由内部PNP晶体管击穿电压确定,与GTR不同,三者差别较小,有。

2)最大集电极电流:包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3)最大集电极功耗PCM :正常工作温度下允许的最大功耗4)最大栅极电压栅射极之间的电压由栅极氧化膜厚度和特性所决定,一般应限制在20V以内,其最佳值一般取15V左右。

5. IGBT的特性和参数特点(1)开关速度高,开关损耗小。

在电压1000V以上时,开关损耗只有GTR的1/10,与电力MOSFET相当(2)相同电压和电流定额时,安全工作区比GTR大,且具有耐脉冲电流冲击能力(3)通态压降比VDMOSFET低,特别是在电流较大的区域(4)输入阻抗高,输入特性与MOSFET类似(5)与MOSFET和GTR相比,耐压和通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点6. IGBT的擎住效应和安全工作区IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图b) 简化等效电路c) 电气图形符号(1)IGBT的安全工作区正偏安全工作区(FBSOA)——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定反向偏置安全工作区(RBSOA)——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定(2)IGBT的擎住效应寄生晶闸管——由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成擎住效应或自锁效应:NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻,P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降,相当于对J3结施加正偏压,一旦J3开通,栅极就会失去对集电极电流的控制作用,电流失控动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小擎住效应曾限制IGBT电流容量提高,20世纪90年代中后期开始逐渐解决IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起,制成模块,成为逆导器件注:电导调制效应当PN结上流过的正向电流较小时,低掺杂N区的欧姆电阻较高,当PN结上流过较大正向电流时,注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大,为了维持半导体电中性条件,其多子浓度也相应大幅度增加,从而使其电阻率明显下降,也就是电导率大幅增加,这就是电导调制效应。

检测IGBT的好坏的方法IGBT管的测量-如何检测判断IGBT管的好坏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4kW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3.5kWl左右,则所测管为含阻尼二极管的IGBT管,若所测值在50kW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极问正向压降约为0.5V。

综上所述,内含阻尼二极管的IGBT管检测示意图如图,表笔连接除图中外,其他连接检测的读数均为无穷大。

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。

维修中IGBT管多为击穿损坏。

简单的方法是用模拟万用表10K档先用黑接G,红接E再黑笔接C,红笔接E,指针呈现导通,则说明IGBT已经被触发,然后用手去碰G和E,如果阻值很大,说明已经关闭但是一般还需要使用"耐压测试仪"检测一下它的耐压特性功率模块的好坏判断主要是对功率模块内的续流两极管的判断.对于IGBT模块我们还需判断在有触发电压的情况下能否导通和关断。

逆变器IGBT模块检测:将数字万用表拨到二极管测试档,测试IGBT模块c1 e1、c2 e2之间以及栅极G与e1、e2之间正反向二极管特性,来判断IGBT模块是否完好。

以六相模块为例。

将负载侧U、V、W相的导线拆除,使用二极管测试档,红表笔接P(集电极c1),黑表笔依次测U、V、W,万用表显示数值为最大;将表笔反过来,黑表笔接P,红表笔测U、V、W,万用表显示数值为400左右。

再将红表笔接N(发射极e2),黑表笔测U、V、W,万用表显示数值为400左右;黑表笔接P,红表笔测U、V、W,万用表显示数值为最大。

各相之间的正反向特性应相同,若出现差别说明IGBT模块性能变差,应予更换。

IGBT模块损坏时,只有击穿短路情况出现。

红、黑两表笔分别测栅极G与发射极E之间的正反向特性, 万用表两次所测的数值都为最大,这时可判定IGBT模块门极正常。

如果有数值显示,则门极性能变差,此模块应更换。

当正反向测试结果为零时,说明所检测的一相门极已被击穿短路。

门极损坏时电路板保护门极的稳压管也将击穿损这个问题很难回答,因为不同的变频器所用的IGBT是不一样的。

但是大至原理都一样,内部都是由几只类似于场管的管子组成。

测量时根据内部图没有明显的短路就没什么大问题,但不排除损坏的可能。

因为测量它的导通能力就需要给它施加导通电压。

回答者:qxjian - 毕业实践员第4级2008-1-9 09:10IGBT属于场效应管的一种,通常情况下,你可以分别测试U、V、W 三相对于直流母线的电压降和阻抗值,如果各相之间数值差不多,并且有一定的压降,一般认为没有什么问题,IGBT的损坏通常是在触发电路的问题引起IGBT换向导通失败引起短路烧坏IGBT。

仅供参考。

回答者:风雨中的彩虹- 助理工程师第8级2008-1-9 09:22用指针式万用表的10k欧姆档,黑笔接IGBT的集电极c极,红笔接发射极e。

用手指同时触摸一下栅极g和集电极c,IGBT被导通,万用表指针摆向电阻较小端,并能停留在某一位置。

然后再用手同时触及一下栅极g和发射极e,IGBT被阻断,万用表指针回零,此时可判断IGBT的好坏。

补充一句:不能在连接了变频器后,再用摇表检测电机。

将万用表拨在R×10KΩ挡,用黑表笔接IGBT 的漏极(D),红表笔接IGBT 的源极(S),此时万用表的指针指在无穷处。

用手指同时触及一下栅极(G)和漏极(D),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源极(S)和栅极(G),这时IGBT 被阻断,万用表的指针回到无穷处。

此时即可判断IGBT 是好的。

注意:若进第二次测量时,应短接一下源极(S)和栅极(G)。

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。