電力電子中關于IGBT檢測的教學設計

張群　王建華

【摘要】在高職電力電子課程教學中如何讓學生自覺用理論指導實踐，理解并掌握IGBT的檢測方法，教學設計尤為重要，本文從IGBT檢測的角度探討如何進行相關內容的教學設計。

【關鍵詞】電力電子 檢測 教學設計

IGBT為絕緣柵雙極型晶體管，是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”。 IGBT模塊是由IGBT與FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品，一般所說的IGBT即指IGBT模塊，封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上。隨著節能環保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見。在高職電力電子課程教學中如何讓學生自覺用理論指導實踐，理解并掌握IGBT的檢測方法，教學設計尤為重要，本文從IGBT檢測的角度探討如何進行相關內容的教學設計。

一、從構造理解IGBT的管腳測量與柵極保護

1、IGBT的構造

IGBT有三個管腳：柵極G、集電極C和發射極E，在構造上是由一個N溝道的絕緣柵場效應管MOSFET和一個PNP型三極管GTR組成，它實際是以GTR為主導元件，以MOSFET為驅動元件的復合管。IGBT的理想等效電路及實際等效如圖1所示。

IGBT除了內含PNP晶體管結構，還有NPN晶體管結構，內含的PNP與NPN晶體管形成了一個可控硅的結構，有可能會造成IGBT的擎柱效應，使柵級失去對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，內部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中若輸出端連接感性負載時需在集電極和發射極間搭配適當的快恢復二極管，構成IGBT模塊。

2、從IGBT構造認識柵極保護

IGBT的柵極通過一層絕緣氧化膜與發射極實現電隔離，由于此氧化膜很薄，若靜電聚積在柵極引起過壓或電容密勒效應引起柵極過壓，均會導致絕緣層擊穿損壞，其擊穿電壓一般達到20～30V。因此使用中要注意以下幾點：

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

（2）在用導電材料連接模塊驅動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊。

（3）盡量在底板良好接地的情況下操作。

3、從IGBT構造解釋管腳間測量電阻

使用指針式萬用表測量IGBT管腳間電阻時，一般是將萬用表撥在R×1KΩ擋。當驅動元件無外加電壓時，管子集電極C與發射極E之間處于關斷狀態，同時因柵極絕緣，故測量IGBT兩兩管腳間正反向電阻時，阻值均為無窮大。針對集電極和發射極間并聯了二極管的IGBT模塊，柵極與其它兩腳間正反向電阻仍為無窮大，集電極與發射極間正向電阻為無窮大，反向電阻較小，此時較小的反向電阻實為內部并聯二極管的導通電阻，由此結果也可識別IGBT模塊的管腳。使用數字式萬用表時可使用二極管專用檔位測量正反向電壓。

二、從基本工作原理理解IGBT開關作用檢測及好壞判斷方法

IGBT和功率MOSFET一樣，屬于電壓控制型器件。在柵極-發射極間施加電壓UGE大于開啟電壓UGE（th）時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。在柵極-發射極間施加電壓UGE為負電壓時，MOSFET內溝道消失，IGBT關斷。溫度為25℃時，開啟電壓為2～6V，加于柵極-發射極間的最佳工作電壓可取15V左右。

使用指針式萬用表用于檢測IGBT開關作用并判斷好壞時，一定要將萬用表撥在R×10KΩ擋，因R×1KΩ擋以下各檔萬用表內部電池電壓太低，檢測好壞時不能使IGBT導通，而無法判斷IGBT的好壞。當指針式萬用表撥在R×10KΩ擋時，用黑表筆接IGBT的集電極（C），紅表筆接IGBT的發射極（E），此時萬用表的指針指示阻值為無窮大。用手指同時觸及一下柵極（G）和集電極（C），這時IGBT被觸發導通，萬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。然后再用手指同時觸及一下柵極（G）和發射極（E），這時IGBT被阻斷，萬用表的指針回無窮大位置。此時即可判斷IGBT是好的。

三、從逆變電路的組成理解IGBT模塊檢測方法

在交-直-交變頻器主電路中，由整流電路將交流變為直流后，再由逆變電路將交流變為頻率和電壓可調的交流，實現電機的變頻調速。圖2所示為六個IBGT模塊構成的逆變器電路，圖中P為變頻器內部直流的正端， N即為直流的負端，輸出U、V、W端子是接到電機的端子。

逆變器IGBT模塊檢測：將數字萬用表撥到二極管測試檔，測試IGBT模塊C、E之間以及柵極G與E之間正反向二極管特性，來判斷IGBT模塊是否完好。以圖所示的六相逆變器為例，將負載側U、V、W相的導線拆除，在直流端P、N無電壓時，使用數字萬用表二極管測試檔，紅表筆接P（集電極C1），黑表筆依次測U、V、W，萬用表顯示數值為超量程；將表筆反過來，黑表筆接P，紅表筆測U、V、W，萬用表顯示數值為400mV左右的電壓。再將紅表筆接N（發射極E2），黑表筆測U、V、W，萬用表顯示數值為400mV左右；黑表筆接P，紅表筆測U、V、W，萬用表顯示數值為超量程。各相之間的正反向特性應相同，若出現差別說明IGBT模塊性能變差，應予更換。IGBT模塊損壞時，只有擊穿短路情況出現。紅、黑兩表筆分別測柵極G與發射極E之間的正反向特性，萬用表兩次所測的數值都為超量程，這時可判定IGBT模塊柵極正常。如果有數值顯示，則柵極性能變差，此模塊應更換。當正反向測試結果為零時，說明所檢測的柵極已被擊穿短路。柵極損壞時電路板保護柵極的穩壓管也將擊穿損壞。

參考文獻：

[1]電力電子技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]變頻器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2015.