电力电子中关于IGBT检测的教学设计

张群　王建华

【摘要】在高职电力电子课程教学中如何让学生自觉用理论指导实践，理解并掌握IGBT的检测方法，教学设计尤为重要，本文从IGBT检测的角度探讨如何进行相关内容的教学设计。

【关键词】电力电子 检测 教学设计

IGBT为绝缘栅双极型晶体管，是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”。 IGBT模块是由IGBT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，一般所说的IGBT即指IGBT模块，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。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。在高职电力电子课程教学中如何让学生自觉用理论指导实践，理解并掌握IGBT的检测方法，教学设计尤为重要，本文从IGBT检测的角度探讨如何进行相关内容的教学设计。

一、从构造理解IGBT的管脚测量与栅极保护

1、IGBT的构造

IGBT有三个管脚：栅极G、集电极C和发射极E，在构造上是由一个N沟道的绝缘栅场效应管MOSFET和一个PNP型三极管GTR组成，它实际是以GTR为主导元件，以MOSFET為驱动元件的复合管。IGBT的理想等效电路及实际等效如图1所示。

IGBT除了内含PNP晶体管结构，还有NPN晶体管结构，内含的PNP与NPN晶体管形成了一个可控硅的结构，有可能会造成IGBT的擎柱效应，使栅级失去对集电极电流的控制作用，因此IGBT有集电极最大电流的限制。

IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中若输出端连接感性负载时需在集电极和发射极间搭配适当的快恢复二极管，构成IGBT模块。

2、从IGBT构造认识栅极保护

IGBT的栅极通过一层绝缘氧化膜与发射极实现电隔离，由于此氧化膜很薄，若静电聚积在栅极引起过压或电容密勒效应引起栅极过压，均会导致绝缘层击穿损坏，其击穿电压一般达到20～30V。因此使用中要注意以下几点：

（1）在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸。

（2）在用导电材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。

（3）尽量在底板良好接地的情况下操作。

3、从IGBT构造解释管脚间测量电阻

使用指针式万用表测量IGBT管脚间电阻时，一般是将万用表拨在R×1KΩ挡。当驱动元件无外加电压时，管子集电极C与发射极E之间处于关断状态，同时因栅极绝缘，故测量IGBT两两管脚间正反向电阻时，阻值均为无穷大。针对集电极和发射极间并联了二极管的IGBT模块，栅极与其它两脚间正反向电阻仍为无穷大，集电极与发射极间正向电阻为无穷大，反向电阻较小，此时较小的反向电阻实为内部并联二极管的导通电阻，由此结果也可识别IGBT模块的管脚。使用数字式万用表时可使用二极管专用档位测量正反向电压。

二、从基本工作原理理解IGBT开关作用检测及好坏判断方法

IGBT和功率MOSFET一样，属于电压控制型器件。在栅极-发射极间施加电压UGE大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。在栅极-发射极间施加电压UGE为负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT关断。温度为25℃时，开启电压为2～6V，加于栅极-发射极间的最佳工作电压可取15V左右。

使用指针式万用表用于检测IGBT开关作用并判断好坏时，一定要将万用表拨在R×10KΩ挡，因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT导通，而无法判断IGBT的好坏。当指针式万用表拨在R×10KΩ挡时，用黑表笔接IGBT的集电极（C），红表笔接IGBT的发射极（E），此时万用表的指针指示阻值为无穷大。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT被阻断，万用表的指针回无穷大位置。此时即可判断IGBT是好的。

三、从逆变电路的组成理解IGBT模块检测方法

在交-直-交变频器主电路中，由整流电路将交流变为直流后，再由逆变电路将交流变为频率和电压可调的交流，实现电机的变频调速。图2所示为六个IBGT模块构成的逆变器电路，图中P为变频器内部直流的正端， N即为直流的负端，输出U、V、W端子是接到电机的端子。

逆变器IGBT模块检测：将数字万用表拨到二极管测试档，测试IGBT模块C、E之间以及栅极G与E之间正反向二极管特性，来判断IGBT模块是否完好。以图所示的六相逆变器为例，将负载侧U、V、W相的导线拆除，在直流端P、N无电压时，使用数字万用表二极管测试档，红表笔接P（集电极C1），黑表笔依次测U、V、W，万用表显示数值为超量程；将表笔反过来，黑表笔接P，红表笔测U、V、W，万用表显示数值为400mV左右的电压。再将红表笔接N（发射极E2），黑表笔测U、V、W，万用表显示数值为400mV左右；黑表笔接P，红表笔测U、V、W，万用表显示数值为超量程。各相之间的正反向特性应相同，若出现差别说明IGBT模块性能变差，应予更换。IGBT模块损坏时，只有击穿短路情况出现。红、黑两表笔分别测栅极G与发射极E之间的正反向特性，万用表两次所测的数值都为超量程，这时可判定IGBT模块栅极正常。如果有数值显示，则栅极性能变差，此模块应更换。当正反向测试结果为零时，说明所检测的栅极已被击穿短路。栅极损坏时电路板保护栅极的稳压管也将击穿损坏。

参考文献：

[1]电力电子技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]变频器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2015.