IGBT在DF100A型PSM短波發(fā)射機(jī)功率模塊中的應(yīng)用分析與維護(hù)

燕濟(jì)安

摘 要：絕緣柵雙極性晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種新型的電力電子器件，它具有控制方便、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高和安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。隨著電壓、電流等級(jí)的不斷提高，IGBT成為了大功率開(kāi)關(guān)電源、變頻調(diào)速和有源濾波器等裝置的理想功率開(kāi)關(guān)器件，在電力電子裝置中得到了非常廣泛的應(yīng)用。它在DF100A型PSM短波發(fā)射機(jī)的功率開(kāi)關(guān)模塊中是控制700 V直流電壓輸出的核心電子開(kāi)關(guān)，決定著該級(jí)模塊的運(yùn)行質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：IGBT；功率模塊；PSM；核心電子開(kāi)關(guān)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN386 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.09.091

1 IGBT簡(jiǎn)介

IGBT是功率模塊的組成部分之一，可作為電子開(kāi)關(guān)使用，具有高達(dá)10 kHz的開(kāi)關(guān)頻率，可在<400 ns的時(shí)間內(nèi)接通和切斷一個(gè)700 V的電壓。它主要由絕緣柵雙極性晶體管Q1組成，Q1的第一個(gè)晶體管鄰近于電源，稱(chēng)為AC管，又名保護(hù)管；第二個(gè)晶體管鄰近于負(fù)載，稱(chēng)為DC管，又名開(kāi)關(guān)管。這兩只晶體管的柵極具有場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制特性，發(fā)射極和集電極間具有晶體三極管的電流控制特性，因此，其具有比一般晶體三極管高1倍的輸入阻抗。IGBT最大的優(yōu)點(diǎn)為無(wú)論在導(dǎo)通狀態(tài)，還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。

2 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

IGBT在本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在漏極和漏區(qū)間多了1個(gè)P型層，其簡(jiǎn)化等效電路如圖1所示。圖1中Rdr是厚基區(qū)GTR（晶體管）的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR（晶體管）為主導(dǎo)件、MOSFET為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓控制的。當(dāng)柵極加正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通；在柵極上加負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT被關(guān)斷。

3 IGBT的AC管和DC管的控制原理

在功率模塊正常工作時(shí)，AC管是常通的，如圖2所示。在一路+12 V電源中，通過(guò)R3和穩(wěn)壓管VR1使C點(diǎn)得到5.1 V電壓，并加至U2的反相輸入端；另一路+12 V電源經(jīng)中的R2對(duì)C4充電，使A點(diǎn)電壓達(dá)到6 V并加至U2的同相輸入端，使其7腳輸出高電平“1”。該高電平加至RS觸發(fā)器的“S”置“0”端。由于Q端為“0”經(jīng)反相器U5反相為高電平“1”，即將1個(gè)+12 V的高電平送至AC管的柵極使AC管導(dǎo)通，相當(dāng)于將1個(gè)700 V電壓加在DC管的集電極上。當(dāng)外電降低幅度較大，輸入的電源變?yōu)?0 V以下時(shí)，將出現(xiàn)A點(diǎn)電位下降至5 V，且低于C點(diǎn)5.1 V的情況。比較器發(fā)生變化，使B點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，使RS觸發(fā)器S端的狀態(tài)變化，將使Q端輸出高電平，經(jīng)反相器U5輸出一個(gè)低電平“0”，并加至AC管的柵極，將AC管關(guān)斷。

DC管的導(dǎo)通或截止是通過(guò)光纜傳遞指令信號(hào)，并經(jīng)通斷電

路發(fā)出高低電平實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示。

光接收器U8是帶有光電耦合的整形電路，在沒(méi)有光信號(hào)觸發(fā)下，它的輸出為高電平“1”，表示拉開(kāi)關(guān)；反之，則輸出低電平“0”，表示合開(kāi)關(guān)。U8未收到光信號(hào)時(shí)，其1腳為“1”，加至與非門(mén)U11的6腳。因5腳為高電平，所以，其4腳為“0”，又加至第二個(gè)與非門(mén)U11的12腳。由于13腳輸出端沒(méi)有出現(xiàn)短路故障，所以，其為高電平，因此，U11的11腳輸出高電平“1”，經(jīng)反相器U12輸出1個(gè)低電平加至DC管的柵極，使DC管截止。當(dāng)U8收到光信號(hào)時(shí)，其1腳由“1”變?yōu)椤?”，使U11與非門(mén)的4腳輸出由“0”變?yōu)椤?”，從而又使另一個(gè)U11與非門(mén)的11腳輸出由“1”變?yōu)椤?”，這個(gè)低電平經(jīng)2個(gè)并聯(lián)的反相器U12后輸出高電平“1”，這個(gè)高電平可使對(duì)應(yīng)的DC管導(dǎo)通。

圖2 AC管控制電路

圖3 DC管控制電路

4 AC管和DC管擊穿對(duì)雜音指標(biāo)的影響

功率開(kāi)關(guān)模塊的正常運(yùn)行對(duì)保證發(fā)射機(jī)的雜音指標(biāo)有非常重要的意義，而功率模塊的正常運(yùn)行與開(kāi)關(guān)管的合斷控制信號(hào)有直接關(guān)系。因此，AC管和DC管的正常與否意義重大。在實(shí)際維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，測(cè)指標(biāo)時(shí)雜音不入級(jí)，用示波器發(fā)現(xiàn)有1.5 kHz左右的雜音頻率，并能聽(tīng)到明顯的低頻嘯叫聲。從狀態(tài)指示看，DC指示燈均亮，但實(shí)際上在循環(huán)中有異常模塊，通過(guò)將功率降到0發(fā)現(xiàn)，模塊DC燈亮，而實(shí)際上DC管應(yīng)全部關(guān)斷。因此，甩開(kāi)該模塊，重新測(cè)量指標(biāo)顯示正常。經(jīng)分析認(rèn)為，參與循環(huán)的異常模塊輸出的電壓比正常值高很多，會(huì)造成合成主電壓時(shí)周期性偏高，這樣必然會(huì)產(chǎn)生較大的雜音。據(jù)估算，模塊的輸出電壓為600 V，主整電壓為10 kV時(shí)，理論上產(chǎn)生的雜音為-24 dB。由此判斷，當(dāng)IGBT的AC管擊穿，功率開(kāi)關(guān)控制板提供指示給狀態(tài)板，表明該模塊電壓運(yùn)行正常。因DC管擊穿導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管一直開(kāi)通，環(huán)形調(diào)制器依據(jù)狀態(tài)板的指示而使其參

加工作循環(huán)，導(dǎo)致雜音指標(biāo)下降。因此，在日常維護(hù)中應(yīng)及時(shí)排除有AC管和DC管故障的模塊，改善發(fā)射機(jī)的雜音指標(biāo)，保證高質(zhì)量的傳輸。

5 IGBT的測(cè)量和判斷

IGBT作為一種大功率的復(fù)合器件，在工作時(shí)易受到容性或感性的沖擊，導(dǎo)致超負(fù)荷甚至發(fā)生短路，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT擊穿或損壞。如何快速判斷本級(jí)IGBT的質(zhì)量是維護(hù)人員必備的技能，下面提供2種測(cè)量方法，可參照?qǐng)D4進(jìn)行。

圖4 測(cè)量參照?qǐng)D

5.1 在線(xiàn)測(cè)量

采用數(shù)字萬(wàn)用表的二極管檔位，分別用表筆測(cè)量C2E1、E2和C1中的任意兩點(diǎn)，再對(duì)換表筆。如果可測(cè)得相當(dāng)于二極管正向?qū)?、反向截止的情況，則可大致判斷該IGBT正常。

5.2 脫機(jī)測(cè)量

將模塊脫開(kāi)電路后，可采用測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)管子（MOSFET）測(cè)試。將指針式萬(wàn)用表打到x10 k檔，黑表筆接C極，紅表筆接E極。此時(shí)，所測(cè)量電阻值近乎無(wú)窮大。搭好表筆，用手指將C極與B極碰觸并斷開(kāi)，指示由無(wú)窮大阻值降為200 k左右；過(guò)幾十秒鐘甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，測(cè)量C與E間的電阻（黑表筆接C極），仍能保持200 k左右的電阻；搭好表筆，用手指短接一次B、E極，C、E極之間的電阻又重新變?yōu)榻咏鼰o(wú)窮大，說(shuō)明該IGBT正常。對(duì)于觸發(fā)端子的測(cè)量，還可以配合電容表測(cè)其容量，以提高判斷的準(zhǔn)確度。此外，功率容量大的模塊，其兩端子間的電容值也稍大。

6 IGBT使用中的注意事項(xiàng)

由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場(chǎng)合，所以，驅(qū)動(dòng)電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離，要有較強(qiáng)的抗干擾能力；由于IGBT模塊的耐過(guò)流能力和耐過(guò)壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外，則易損壞。因此，模塊的驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)設(shè)有過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱等保護(hù)功能；在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)重視IGBT模塊與散熱片的接觸狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，應(yīng)在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂，且使用與原機(jī)同型號(hào)的IGBT；不同型號(hào)的IGBT的飽和壓降也不同，在同等條件下測(cè)試，其輸出飽和壓降差最大可達(dá)到20 V。

IGBT具有多種優(yōu)良的特性，得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到了電力電子的各方各面。因此，熟悉IGBT模塊性能，了解選擇和使用時(shí)的注意事項(xiàng)，熟練掌握其故障判斷技巧和安裝經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際維護(hù)、維修功率模塊是十分必要的。

〔編輯：張思楠〕