igbt模块工作原理

IGBT 是什么东西，有神马作用？

IGBT 又叫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 模块是由 IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与 FWD(续流二极管芯

片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品;封装后的 IGBT 模块直

接应用于变频器、UPS 不间断电源等设备上;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;随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来

越多见。

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，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。

应用领域

手机

在日益增长的变频器市场，许多厂商提供性能和尺寸各异的变换器类型。

这正是以低损耗和高开关频率而著称的新 IGBT 技术施展的舞台。在 62 毫米

(当前模块的标准尺寸)模块中使用新 IGBT 技术使用户可以因不必改变其机械

设计概念而获益。 基于平台技术的标准 62 毫米 SEMITRANS?模块，由于针对

IGBT 和二极管采用了不同的半导体技术，因此适合于多种应用场合。采用标

准尺寸模块外壳这一事实意味着用户有更多可供选择的供应商。

新能源汽车

地铁车辆牵引逆变器IGBT模块损坏原因分析及处置优化

摘要：随着城市的发展，人们出行需求与交通拥堵之间的矛盾日益突出，城市轨道交通的快速发展解决这一矛盾的主要手段。昆明地铁顺应时代历史发展潮流，走进了市民的日常生活之中。然而，地铁车辆的状态良好与否直接关系乘客的出行安全。本文以发生在昆明地铁车辆牵引逆变器IGBT模块炸裂的事件，进行故障的分析及处置，提出改进措施，确保列车状态良好。

关键词：地铁车辆；VVVF逆变器；IGBT模块

0 引言：地铁车辆能够安全平稳的运行，牵引逆变器是关键核心部件，是列车动力输出部件牵引电机唯一的供电来源，同时也是列车在下坡或制动过程中再生制动的核心部件，因此牵引逆变器的稳定可靠，对于地铁来说至关重要。每辆动车配置一台牵引逆变器，每台逆变器有两个逆变模块单元组成，每个逆变模块单元驱动两台牵引电机，实现列车运行。

1问题与分析

1.1故障现象

2021年12月31 日，配属昆明地铁首期0140列，正线运营时HMI屏报M2-1车VVVF模块1逆变过流，VVVF模块2逆变过流， VVVF主电路直流过流，VVVF模块2C-、2C+管故障,VVVF模块2 逆变保护，VVVF差分电流大于1.5A，司机复位无效。

1.2故障分析

1.2.1 IGBT工作原理： 昆明地铁首期工程电客列车牵引系统主电路采用两电平电压型直—交逆变电路。经第三轨向受电靴受流输入DC750V直流电,经高压箱、线路电抗器、由VVVF逆变器逆变成频率、电压均可调的三相交流电供给牵引电机。每一辆动车配置一台VVVF牵引逆变器,每台VVVF逆变器由两个逆变模块单元组成，采用2个逆变器模块驱动4台牵引电动机的工作方式，电阻制动斩波单元与逆变模块单元集成在一起。当电网电压在DC500V～1000V之间变化时，主电路能正常工作，并能实现牵引--制动的无接点转换。逆变模块采用通用的IBCM60G型IGBT变流器模块，单个模块的输出容量可达600kVA，IBCM60G模块集成了8个1700V/1600A的

IGBT模块工作原理以及检测方法2009-09-29 20：271 IGBT模块简介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部件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种部件的优点，既具有MOSFET部件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型部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，在现代电力电子技能中获患了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占领了主导地位。IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而要得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，要得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型部件，在它的栅极G-发射极E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的泄电流流过，基本上不耗损功率。

图1 IGBT的等效电路

2 IGBT模块的选择IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互瓜葛见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的定额损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，是以，选用IGBT模块时定额电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，因为开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降低温度等使用。

3使用中的注意事项因为IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极使成为事实电断绝。因为此氧化膜很薄，其击穿电压一般到达20~30V。是以因静电而导致栅极击穿是IGBT无效的常见缘故原由之一。是以使用中要注意以下几点：

在使用模块时，只管即便不要用手触摸驱动端子部门，当必必要触摸模块端子时，要先将人体或者衣服上的静电用大电阻接地举行放电后，再触摸；在用导电质料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块；只管即便在底板良好接地的情况下操作。在应用中有时虽然包管了栅极驱动电压没有超过栅极最大定额电压，但栅极串线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以削减寄生电感。在栅极串线中串联小电阻也能够抑制振荡电压。此外，在栅极-发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则跟着集电极电位的变化，因为集电极有泄电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时候，要是集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或者栅极回路损坏时(栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ摆布的电阻。在安装或者更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了削减接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。是以对于散热风扇应定期举行查抄，一般在散热片上接近IGBT模块之处安装有温度感应器，当温度太高时将报警或者遏制IGBT模块工作。

第 1 页 共 16 页 IGBT内部结构和拆解

（IGBT） （绝缘栅双极（晶体管））作为一种功率（半导体）器件，广泛应用于轨道交通、（智能电网）、（工业）节能、电动汽车和（新能源）装备等领域。具有节能、安装方便、维护方便、散热稳定等特点。它是能量转换和传输的核心装置。简单概括一下，IGBT可以说是（MOSFET）（金属氧化物半导体场效应晶体管）和BJT的结合体（双极结型晶体管）。即它结合了MOSFET的栅压控制晶体管（高输入阻抗），利用BJT的双载流子来达到大电流的目的（压控双极型器件）。那么这样的组合内部结构是怎样的呢？

一、IGBT模块详解

二、IGBT内部结构

三、IGBT 内部（电流）流动

四、如何拆卸IGBT模块？

五、常见问题

一、IGBT模块详解

以（拆解）的IGBT模块型号为：FF1400R17IP4为例。模块外观及等效电路如图1所示。本模块长宽高分别为：25cmx8.9cmx3.8cm。模块包含两个IGBT，也就是我们常说的半桥模块。每个IGBT的额定电压和电流分别为1.7kV和1.4kA。

二、IGBT内部结构

在初步了解了IGBT模块的外部结构和应用之后，让我们进入本 第 2 页 共 16 页 文的主题，看看这个高科技黑模块的内部是什么样的。图3是去掉黑色外壳的IGBT模块内部图。需要注意的是，最常见的铜和铝都在IGBT模块内部。

图 3. IGBT 内部结构

图4是IGBT模块的剖视图。如果去掉黑色外壳和外部连接端子，IGBT模块主要包含散热基板、DBC基板和硅（芯片）（包括IGBT芯片和（Diode）芯片）3个元件，其余主要是焊层和互连线用于连接IGBT芯片、Diode芯片、电源端子、控制端子和DBC（Direct Bond Copper）。下面我们将对每个部分进行简要介绍。