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开关电源IGBT的可靠性能解析

一、igbt的简单介绍
绝缘栅双极型晶体管(简称“igbt”)是由mosfet和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为mosfet,输出极为pnp晶体管,它融和了这两种器件的优点,既具有mosfet器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于mosfet与功率晶体管之间,可正常工作于几十khz频率范围内,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
若在igbt的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则mosfet导通,这样pnp晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若igbt的栅极和发射极之间电压为0v,则mos 截止,切断pnp晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。igbt与mosfet一样也是电压控制型器件,在它的栅极-发射极间施加十几v的直流电压,只有在ua级的漏电流流过,基本上不消耗功率。
二、igbt的可靠性要素
igbt的安全可靠与否主要由以下因素决定:
1.igbt栅极与发射极之间的电压;
2.igbt集电极与发射极之间的电压;
3.流过igbt集电极-发射极的电流;
4.gbt的结温。
如果igbt栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则igbt不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则igbt可能永久性损坏;同样,如果加在igbt集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压,流过igbt集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流,igbt的结温超过其结温的允许值,igbt都可能会永久性损坏。
三、igbt的检测方法
1.判断极性
首先将万用表拨在r×1kω挡,用万用表测量时,若某一极与其它两极阻值为无穷大,调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大,则判断此极为栅极(g )其余两极再用万用表测量,若测得阻值为无穷大,调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中,则判断红表笔接的为集电极(c);黑表笔接的为发射极(e)。
2.判断好坏
将万用表拨在r×10kω挡,用黑表笔接igbt 的集电极(c),红表笔接igbt 的发射极(e),此时万用表的指针在零位。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,万用表的指针回零。此时即可判断igbt 是好的。
总之,任何指针式万用表皆可用于检测igbt.注意判断igbt 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。此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管(p-mosfet)的好坏。
四、igbt的使用注意事项
由于igbt模块为mosfet结构,igbt的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般达到20~30v.因此因静电而导致栅极击穿是igbt失效的常见原因之一。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;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; 尽量在底板良好接地的情况下操作。
2.在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。
3.在栅极-发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。这时,如果集电极与发射极间存在高电压,则有可能使igbt发热及至损坏。
总之,在使用igbt的场合,当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则igbt就会损坏,为防止此类故障,应在栅极与发射极之间串接一只10kω左右的电阻。在安装或更换igbt模块时,应十分重视igbt模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻,最好在散热器与igbt模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇,当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致igbt模块发热,而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查,一般在散热片上靠近igbt模块的地方安装有温度感应器,当温度过高时将报警或停止igbt模块工作。
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