絕緣柵雙極型晶體管IGBT, 也稱絕緣門極晶體管。它是20世紀80年代中期出現的一種新型復合器件, 它集成了MOS (絕緣柵型場效應管) 和GTR (大功率晶體管) 眾多優點, 不僅具有高輸入阻抗、開關速度快、飽和壓降低、耐壓高、承受電流大等優點, 而且工作頻率范圍寬 (可達幾十kHz) , 經過三十多年快速發展, 如今IGBT在開關電源、變頻器、逆變器、UPS、交流伺服系統、感應加熱裝置、家用電器等領域得到了廣泛應用。
然而, 隨著IGBT模塊的應用普及, 其在實際應用中的問題不得不引起重視, 由于操作使用不當、保護電路 (或裝置) 選擇不合適等原因, 都極易導致IGBT模塊故障, 造成不必要的經濟損失。本文, 通過對IGBT典型故障、判斷方法及注意事項進行探討, 旨在加深使用者對IGBT模塊的了解, 盡量減少實際應用中IGBT模塊的故障率。
1 IGBT典型故障分析
通過對IGBT在實際應用中的經驗總結, 主要有過壓、過流、過熱三大原因導致IGBT發生故障。
1.1 過壓
(1) 高dv/dt和集-射過壓。
很多使用者都曾遇到過電路中的IGBT莫名其妙就損壞了, 更換后正常, 卻查不出故障原因, 于是懷疑是IGBT質量問題。其實, 這很可能是使用者對于高dv/dt所引起的過壓采用的保護不夠重視, 常常只采用無感電容或者RCD電路來吸收, 當IGBT關斷瞬間過高的dv/dt引起過壓所占的比例較大時, 保護電路吸收不夠而導致IGBT的損壞。簡而有效的保護方法就是采用電壓箝位式吸收電路, 對瞬間過電壓進行抑制, 具體電路就是在集-射極兩端并接齊納二極管, 采用柵極電壓動態控制, 當集電極電壓瞬間超過齊納二極管的箝位電壓時, 超出的電壓將疊加在柵極上 (米勒效應起作用) , 就可避免IGBT因受集-射過壓而損壞。
此外, 在柵-射極間開路時, 若在集-射極間加上電壓, 則隨著集電極電位的變化, 由于集電極有漏電流流過, 柵極電位升高, 集電極則有電流流過。如果此時集-射極間存在高電壓, 則有可能使IGBT模塊發熱及至損壞。
(2) 高dv/dt和集-柵過壓。
柵極電壓動態控制雖可解決因過高dv/dt引起的集-射極瞬間過壓問題, 但同時它也存在如下弊端, 當IGBT工作在感性負載電路中時, 半橋結構中處于關斷的IGBT, 由于其FRD (快速恢復二極管) 的恢復, 使得其集—射極兩端的電壓急劇上升, 承受瞬間很高的dv/dt, 多數情況下該dv/dt值要比IGBT正常關斷時的集—射極電壓上升率高, 由于米勒電容的存在, 該dv/dt值將在集-柵極之間產生一個瞬間電流, 流向柵極驅動電路, 直接導致柵-射極電壓Vgeth值的升高, 當超過IGBT的開通門限電壓Vgeth值, 就可能導致IGBT被誤觸發導通, 發生故障損壞, 對于此問題, 可采用快速吸收電路吸收過電壓來解決。
1.2 過流
(1) 長時間過流運行。
長時間過流運行是指IGBT的運行指標達到或超出RBSOA (反偏安全工作區) 所限定的電流安全邊界 (如選型失誤, 安全系數偏小等) , 出現這種情況時電路必須能在電流到達RBSOA限定邊界前立即關斷IGBT, 才能起到保護IGBT的作用。
(2) 短路超時 (>10μs) 。
短路超時是指IGBT的所承受的電流值達到或超出SCSOA (短路安全工作區) 所限定的最大邊界, 比如4～5倍額定電流時, 必須在10μs之內關斷IGBT, 如果此時IGBT所承受的最大電壓也超過器件標稱值的話, 則IGBT必須在更短時間內被關斷。
(3) 過高di/dt。
過高di/dt引起的IGBT故障, 其實也可屬于過壓范圍, 很高的di/dt值與線路分布電感的乘積, 導致瞬間過壓。這種情況可以根據不同功率的IGBT模塊, 來選用不同的snubber (緩沖) 吸收電路來解決。
1.3 過熱
過熱一般是指使用中IGBT模塊的結溫T j (目前主流的I G B T模塊結溫額定值Tjmax=150℃) 超過晶片的最大溫度限定。引起過熱的原因有很多情況, 柵極電壓不足、柵極驅動信號誤動作、空載時間不足、超負荷或輸出短路過電流、開關頻率異常增加、緩沖放電電流過大、柵極電阻值增大、散熱不足以及接觸面熱阻增大、散熱設計不完善等緣故, 都容易導致IGBT模塊過熱而失效。為安全起見, 一般將IGBT模塊工作時的結溫控制在125℃以下為宜, 必要時可安裝溫度保護裝置。
2 IGBT故障判斷方法
IGBT是否損壞可以通過指針式萬用表、CT (晶體管特性曲線描繪器) 來判斷, 以下方法適合大、中功率IGBT單、雙模塊及集成式模塊的檢測, 現以IGBT單模塊為例, 測量前需確定被檢測IGBT已脫開電路回路, 具體測量方法如下。
2.1 采用指針式萬用表測量
如圖1所示, 先將IGBT的G、E、C極間短路放電數秒, 以避免影響測量的準確度。然后將萬用表的量程撥在R×10kΩ檔, 紅表筆接的E極, 黑表筆接C極, 此時所測阻值趨于∞;保持表筆不動, 再用手指 (或其它導體) 將C極與G極短接下后斷開, 表指針阻值降為某個位置 (一般在100kΩ～200kΩ之間左右) , 且停住不動, 則說明IGBT的開通性能基本正常;保持表筆不動, 再將G, E極間短接下后斷開, 阻值又重新變為趨于∞, 且表指針停住不動, 則說明IGBT的關斷性能基本正常。實際上, 手指 (或其它導體) 為IGBT的柵、陰結電容提供了充、放電的通路, 當用手指短接下C、G極, 是給柵、陰結電容充電, 斷開后因該電容無放電回路, 故電容上的電荷能保持一段時間。該電容上的充電電壓, 為正向激勵電壓, 使IGBT出現微導通, C、E極間的阻值變小;當再次用手指短接G、E極時, 為該電容提供了放電通路, 隨著電荷的泄放, 激勵電壓消失, IGBT變為截止關斷, C、E極間的阻值又趨于∞。
然后將萬用表的量程打在R×1kΩ檔, 紅、黑表筆分別正反向測量IGBT的G、E極和G、C極間阻值, 對于正常的IGBT, 如所測值均應為趨于∞。再用紅表筆接C極, 黑表筆接E極, 若所測阻值為3.5kΩ左右, 則所測IGBT內含齊納二極管, 若所測阻值為50kΩ左右, 則不含齊納二極管。如果所測IGBT的三個極間阻值均很小, 則說明該IGBT已擊穿損壞;若所測三個極間阻值均為∞, 則說明該IGBT已開路損壞。
一般的指針式萬用表均可用于檢測IGBT的好壞, 在檢測時需注意, 因IGBT導通需較高的正向激勵電壓 (約10V左右) , 故需將萬用表撥在R×10kΩ檔 (該檔位內部電池電壓為9V或12V) , 其它各電阻檔位因內部電池電壓太低 (一般為1.5V) , 無法使IGBT模塊導通, 從而無法正確判斷模塊的好壞。
2.2 采用CT裝置測量
我們也可采用CT對用以下方法進行測量來判斷IGBT是否正常。如圖2所示。
(1) 將C-E極間短路, 測量G-E極間的漏電流, 如果正常, 其漏電流應該為數百nA級內。
(2) 將G-E極間短路, 測量C-E極間的漏電流, 如果正常, 其漏電流應該小于模塊額定ICES最大值。如出現其他情況, 則說明IGBT已損壞。
3 IGBT在使用中的注意事項
3.1 注意靜電
由于IGBT含有MOSFET結構, 其柵極通過一層氧化膜與發射極實現電隔離。由于此氧化膜很薄, 其擊穿電壓一般達到20V～30V。因此由靜電而導致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一, 故在使用IGBT模塊 (以下簡稱模塊) 時需注意以下幾點。
(1) 需佩帶防靜電手腕帶或其它防靜電工具充分放電后, 方可觸摸模塊驅動端子。
(2) 對模塊進行操作前, 應先將電路底板進行良好接地。
(3) 在用導電材料連接模塊驅動端子前, 應先配好線再連接。
3.2 注意寄生電感和振蕩電壓
在應用中除了要保證模塊柵極驅動電壓低于柵極最大額定電壓, 也需注意由于柵極連線的寄生電感, 和柵極與集電極間的電容會耦合產生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此, 應用中通常采用雙絞屏蔽電纜 (屏蔽層接地) 來傳送驅動信號, 以減少寄生電感;在柵極連線中串聯小電阻也可以抑制振蕩電壓。
3.3 注意柵極回路故障
當柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時 (如:柵極處于開路狀態) , 若在主回路上加上電壓, 則模塊就會損壞, 為防止此類故障, 應在柵極與發射極之間串接一只10kΩ左右的電阻。
3.4 注意模塊的散熱
模塊與散熱片的接觸面狀態和緊固程度直接影響兩者間接觸熱阻, 在安裝或更換模塊時, 應在模塊與散熱片間均勻涂抹適量導熱硅脂, 并緊固適當, 以盡量減少接觸熱阻。一般模塊的散熱片底部都安裝有冷卻裝置 (風扇或風機等) , 當冷卻裝置故障引起散熱片散熱不良時, 將導致模塊發熱過高而故障。因此應定期對冷卻裝置進行檢查, 必要時可在模塊上靠近散熱片的地方安裝溫度感應器, 以便溫度過高時報警或停止模塊工作。
4 結語
如今, IGBT正向著集成化、模塊化的趨勢快速發展, 本文對IGBT模塊的典型故障、判斷方法和注意事項的分析探討, 有利于提升IGBT模塊的工作效率和安全可靠性, 從而促進IGBT模塊在其應用領域中的普及。
摘要：本文對IGBT在應用中的典型故障進行了分類分析探討, 介紹了兩種實用的IGBT故障判斷方法, 給出了IGBT在使用中的主要注意事項及相關問題的解決措施。
關鍵詞：IGBT,典型故障分析,判斷方法,注意事項
參考文獻
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