電力電子中關(guān)于IGBT檢測(cè)的教學(xué)設(shè)計(jì)

張群　王建華

【摘要】在高職電力電子課程教學(xué)中如何讓學(xué)生自覺(jué)用理論指導(dǎo)實(shí)踐，理解并掌握IGBT的檢測(cè)方法，教學(xué)設(shè)計(jì)尤為重要，本文從IGBT檢測(cè)的角度探討如何進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】電力電子 檢測(cè) 教學(xué)設(shè)計(jì)

IGBT為絕緣柵雙極型晶體管，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”。 IGBT模塊是由IGBT與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過(guò)特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，一般所說(shuō)的IGBT即指IGBT模塊，封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來(lái)越多見(jiàn)。在高職電力電子課程教學(xué)中如何讓學(xué)生自覺(jué)用理論指導(dǎo)實(shí)踐，理解并掌握IGBT的檢測(cè)方法，教學(xué)設(shè)計(jì)尤為重要，本文從IGBT檢測(cè)的角度探討如何進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、從構(gòu)造理解IGBT的管腳測(cè)量與柵極保護(hù)

1、IGBT的構(gòu)造

IGBT有三個(gè)管腳：柵極G、集電極C和發(fā)射極E，在構(gòu)造上是由一個(gè)N溝道的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET和一個(gè)PNP型三極管GTR組成，它實(shí)際是以GTR為主導(dǎo)元件，以MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的復(fù)合管。IGBT的理想等效電路及實(shí)際等效如圖1所示。

IGBT除了內(nèi)含PNP晶體管結(jié)構(gòu)，還有NPN晶體管結(jié)構(gòu)，內(nèi)含的PNP與NPN晶體管形成了一個(gè)可控硅的結(jié)構(gòu)，有可能會(huì)造成IGBT的擎柱效應(yīng)，使柵級(jí)失去對(duì)集電極電流的控制作用，因此IGBT有集電極最大電流的限制。

IGBT與MOSFET不同，內(nèi)部沒(méi)有寄生的反向二極管，因此在實(shí)際使用中若輸出端連接感性負(fù)載時(shí)需在集電極和發(fā)射極間搭配適當(dāng)?shù)目旎謴?fù)二極管，構(gòu)成IGBT模塊。

2、從IGBT構(gòu)造認(rèn)識(shí)柵極保護(hù)

IGBT的柵極通過(guò)一層絕緣氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離，由于此氧化膜很薄，若靜電聚積在柵極引起過(guò)壓或電容密勒效應(yīng)引起柵極過(guò)壓，均會(huì)導(dǎo)致絕緣層擊穿損壞，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：

（1）在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸。

（2）在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊。

（3）盡量在底板良好接地的情況下操作。

3、從IGBT構(gòu)造解釋管腳間測(cè)量電阻

使用指針式萬(wàn)用表測(cè)量IGBT管腳間電阻時(shí)，一般是將萬(wàn)用表?yè)茉赗×1KΩ擋。當(dāng)驅(qū)動(dòng)元件無(wú)外加電壓時(shí)，管子集電極C與發(fā)射極E之間處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)因柵極絕緣，故測(cè)量IGBT兩兩管腳間正反向電阻時(shí)，阻值均為無(wú)窮大。針對(duì)集電極和發(fā)射極間并聯(lián)了二極管的IGBT模塊，柵極與其它兩腳間正反向電阻仍為無(wú)窮大，集電極與發(fā)射極間正向電阻為無(wú)窮大，反向電阻較小，此時(shí)較小的反向電阻實(shí)為內(nèi)部并聯(lián)二極管的導(dǎo)通電阻，由此結(jié)果也可識(shí)別IGBT模塊的管腳。使用數(shù)字式萬(wàn)用表時(shí)可使用二極管專用檔位測(cè)量正反向電壓。

二、從基本工作原理理解IGBT開(kāi)關(guān)作用檢測(cè)及好壞判斷方法

IGBT和功率MOSFET一樣，屬于電壓控制型器件。在柵極-發(fā)射極間施加電壓UGE大于開(kāi)啟電壓UGE（th）時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。在柵極-發(fā)射極間施加電壓UGE為負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)溝道消失，IGBT關(guān)斷。溫度為25℃時(shí)，開(kāi)啟電壓為2～6V，加于柵極-發(fā)射極間的最佳工作電壓可取15V左右。

使用指針式萬(wàn)用表用于檢測(cè)IGBT開(kāi)關(guān)作用并判斷好壞時(shí)，一定要將萬(wàn)用表?yè)茉赗×10KΩ擋，因R×1KΩ擋以下各檔萬(wàn)用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測(cè)好壞時(shí)不能使IGBT導(dǎo)通，而無(wú)法判斷IGBT的好壞。當(dāng)指針式萬(wàn)用表?yè)茉赗×10KΩ擋時(shí)，用黑表筆接IGBT的集電極（C），紅表筆接IGBT的發(fā)射極（E），此時(shí)萬(wàn)用表的指針指示阻值為無(wú)窮大。用手指同時(shí)觸及一下柵極（G）和集電極（C），這時(shí)IGBT被觸發(fā)導(dǎo)通，萬(wàn)用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同時(shí)觸及一下柵極（G）和發(fā)射極（E），這時(shí)IGBT被阻斷，萬(wàn)用表的指針回?zé)o窮大位置。此時(shí)即可判斷IGBT是好的。

三、從逆變電路的組成理解IGBT模塊檢測(cè)方法

在交-直-交變頻器主電路中，由整流電路將交流變?yōu)橹绷骱?，再由逆變電路將交流變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的交流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。圖2所示為六個(gè)IBGT模塊構(gòu)成的逆變器電路，圖中P為變頻器內(nèi)部直流的正端， N即為直流的負(fù)端，輸出U、V、W端子是接到電機(jī)的端子。

逆變器IGBT模塊檢測(cè)：將數(shù)字萬(wàn)用表?yè)艿蕉O管測(cè)試檔，測(cè)試IGBT模塊C、E之間以及柵極G與E之間正反向二極管特性，來(lái)判斷IGBT模塊是否完好。以圖所示的六相逆變器為例，將負(fù)載側(cè)U、V、W相的導(dǎo)線拆除，在直流端P、N無(wú)電壓時(shí)，使用數(shù)字萬(wàn)用表二極管測(cè)試檔，紅表筆接P（集電極C1），黑表筆依次測(cè)U、V、W，萬(wàn)用表顯示數(shù)值為超量程；將表筆反過(guò)來(lái)，黑表筆接P，紅表筆測(cè)U、V、W，萬(wàn)用表顯示數(shù)值為400mV左右的電壓。再將紅表筆接N（發(fā)射極E2），黑表筆測(cè)U、V、W，萬(wàn)用表顯示數(shù)值為400mV左右；黑表筆接P，紅表筆測(cè)U、V、W，萬(wàn)用表顯示數(shù)值為超量程。各相之間的正反向特性應(yīng)相同，若出現(xiàn)差別說(shuō)明IGBT模塊性能變差，應(yīng)予更換。IGBT模塊損壞時(shí)，只有擊穿短路情況出現(xiàn)。紅、黑兩表筆分別測(cè)柵極G與發(fā)射極E之間的正反向特性，萬(wàn)用表兩次所測(cè)的數(shù)值都為超量程，這時(shí)可判定IGBT模塊柵極正常。如果有數(shù)值顯示，則柵極性能變差，此模塊應(yīng)更換。當(dāng)正反向測(cè)試結(jié)果為零時(shí)，說(shuō)明所檢測(cè)的柵極已被擊穿短路。柵極損壞時(shí)電路板保護(hù)柵極的穩(wěn)壓管也將擊穿損壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]電力電子技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]變頻器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.