IGBT器件：电气原理、检测方法和故障表现

小李：整流模块、电容器、交流接触器及功率电阻器件，平时我接触得比较多，通过咸工的讲解，其工作原理及故障检修方法也掌握得差不多了。但对IGBT器件相对有些陌生，与我们平常所说的（双极型）晶体管有什么不同呢？望咸工多加指点。

咸工：好的，变频器主电路的关键器件，也即是IGBT功率模块，价格昂贵，损坏率较高，检修中若粗心大意，也容易造成损坏。就从其结构和测量方法讲起吧。

（1）IGBT的结构和电路原理

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）器件是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极（或称门极和栅极）为MOSFET，输出部分为双极型的功率晶体管，它融和了绝缘栅场效应器件和双极型器件两者的优点，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。

从等效电路（见图4-6）看，IGBT类似于我们都早已熟悉的复合放大管，输出管为一只PNP型晶体管，而激励管是一只场效应晶体管，后者的漏极电流形成了前者的基极电流。放大能力是两管之积。从结构上看，IGBT体内存在一个寄生晶闸管V3，电路中的V2、V3两只管子具有晶闸管的电流“擎住”效应，使IGBT在大电流下饱和导通以后，虽然驱动信号消失，但因V2、V3的“自生激励”作用，使截止控制变得困难（栅极失去控制作用），施加截止负压，能令其更为可靠地截止。实际的IGBT器件，在C、E极间并联有续流二极管D，在电感负载的情况下有续流作用。

图4-6 IGBT单管等效电路和电路符号

IGBT的输入级电路具有电压驱动的特点，可以大大降低驱动电路的功耗。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压（或称激励电压），则MOSFET导通，同时驱动晶体管V2导通，IGBT的C、E极之间变为低阻状态；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则V1截止，切断PNP型晶体管基极电流的供给，使得晶体管V2截止。实际电路中，为了IGBT更可靠地截止和加快截止速度，往往在栅极（G）和发射极之间加有负电压（或称负向电压、截止负压）。IGBT正向驱动电压的典型值为15V，电压范围为13～18V，负向截止电压的典型值为-7.5V，电压范围为-10～-5V。IGBT栅-射极的最大允许电压值一般为±20V左右。

图4-7 IGBT导通和截止电路示意图

a）G-E极加正向激励电压，HL亮 b）G-E极加负向截止电压，HL熄灭

施加正向激励电压时，IGBT导通，集电极与发射间之间呈现“通路”，灯泡HL点亮；栅极与发射极控制电压为零或施加截止负压时，IGBT截止，集电极与发射极之间呈现“开路”，灯泡HL熄灭。如图4-7所示。

IGBT因为输入阻抗极高，栅-射结（栅极与发射极之间）易受静电冲击（电压击穿点为20～30V）而击穿损坏，因而存储和运输中，一般必须将栅极和发射极用导线短接，测量前应将人体或衣服上可能带的静电对地放掉，如接触大地或与大地相连的金属物体等，以放掉人体所带静电电荷。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（见图4-7中的R2）。

（2）IGBT器件的类型

通常有单管IGBT、单管IGBT模块、双管IGBT模块、小功率变频器常用的一体化模块（内含三相整流电路、有的含制动开关管电路，有的含逆变功率电路的温度检测电路）和IPM模块（与一体化模块相比，内含驱动电路），如图4-8所示。

图4-8 常用IGBT器件（双管模块）和内部电路图

图4-9 常用一体化模块和内部电路图

单管IGBT的电流值一般为40A以下；常用IGBT双管功率模块的电流值为50～300A，大、中功率变频器中的逆变电路是将300A以内功率模块多只并联应用，以达到扩大输出电流的目的。

小功率变频器的主电路经常采用如图4-9所示的一体化模块，内含三相整流电路、逆变电路、直流制动电路和模块温度传感器电路。变频器的整个主电路，除储能电容、充电继电器（充电电阻）以外，全部集成于一体化模块内部了。

图4-9中的功率模块型号为BSM15G120，是额定电流为10A、耐电压值为1200V的一体化功率模块，适用于3.7kW以下的变频器应用。

（3）IGBT器件（和模块）的测量

1）IGBT的单管（单模块）的脱机测量方法。

①指针式万用表的测量方法。

这个方法常用于IGBT单管、大功率IGBT单、双管模块和新购进一体化模块的测量。

a、栅极、发射极和集电极三者之间的正、反向电阻值。用指针式万用表的×1k档进行测量，只有当黑表笔接发射极、红表笔接集电极时，测得电阻值约为5kΩ，这一电阻值为器件内部并联在集电极和发射极上的二极管的正向电阻值。栅极-发射极、栅极-集电极、集电极-发射极之间的电阻值均为无穷大。

如果测出3个电极间有一定的电阻值（如数千欧姆），说明器件已经损坏。

b、IGBT的动态性能测量。进一步测量IGBT在驱动电压作用下，能否工作于导通和截止两种受控状态。

可采用测量（MOSFET）场效应晶体管的方法来测试。MOSFET的栅-阴极间有一个结电容的存在，故由此决定了极高的输入阻抗和电荷保持功能。对于IGBT，存在一个C_GE结电容。利用其G、E之间的结电容的充电、放电和电荷保持特性，可以有效地检测IGBT的好坏。(www.xing528.com)

方法是：将指针式万用表打到×10k档，黑表笔接C极，红表笔接E极，此时所测电阻值几乎无穷大；搭好表笔不动，用手指将C极与G极碰一下并拿开，指示由无穷大阻值变为200kΩ左右；过10s后，再测一下C、E间电阻（仍是黑表笔接C极，红表笔接E极），仍能保持200kΩ左右的电阻不变；搭好表笔不动，用手指短接一下G、E极，C、E极之间的电阻又重新变为接近无穷大。

实际上，用手指碰一下C、G极，是经人体电阻给栅-射结电容充电，拿开手指后，因此电容无放电回路，故电容上的电荷能保持一段时间。此电容上的充电电压为正向激励电压，使IGBT出现微导通，C、E之间的电阻减小；第二次用手指短接G、E时，提供了栅-射结电容的放电通路，随着电荷的泄放，IGBT的激励电压消失，管子变为截止，C、E之间的电阻值又趋于无穷大。

手指相当于一只阻值为数kΩ级的电阻，提供栅-射极结电容充、放电的通路；因IGBT的导通需较高的正向激励电压（10V以上），所以应该使用指针式用万用表的×10k档来测量。此档位内部电池供电为9V或12V，以满足IGBT激励电压的幅度。

对触发端子的测量，还可以配合电容表测其容量，以增加判断的准确度。往往功率容量大的模块，G、E两端子间的电容值也稍大。

②用数字万用表的测量方法。

a、用×20k档测量，除了黑表笔接集电极、红表笔接发射极是测量的正向电阻约为17kΩ左右，其他测量结果电阻值都为无穷大；用二极管档测量，除了黑表笔接C极、红表笔接E极时测量得正向电压值约为0.4V外，其他测量结果均为电压降无穷大。

b、用数字万用表或数字电容测量仪的20n档，测量栅-射结的电容量是一个较好的测量方法。一般IGBT的栅-射结电容的电容量在20nF以下，小功率IGBT的电容小，大功率IG-BT模块的电容量大一些。另外，大功率IGBT模块当红表笔接栅极时（称为正测）所测电容量较小；当黑表笔接栅极时（称为反测），所测电容量较大。如果测得的电容量远远大于20nF或测不出电容量（小于1nF），说明IGBT的栅-射结已经损坏。

脱机测量得出的结果，能大致（相对）判断IGBT的好坏，但不是IGBT好坏的最后（绝对）结果。对IGBT由绝缘缺陷造成的漏电等损坏原因，需要为对IGBT施加一定的供电电压（如为主电路上电）试验才能最后确定IGBT的好坏。

2）在线测量。

如以上所述（见图4-1），从变频器的主电路接线端子，对逆变功率电路的（功率模块内部）6只IGBT进行测量，仅能测量出并联于器件集电极和发射极上的二极管的正、反向电阻值（或正向导通压降），证实IBGT的集电极和发射极之间没有短路故障。更进一步的测量，应该从IGBT的信号输入端——栅-射结着手进行。

打开机器外壳，将MCU主板和电源/驱动板两块电路板取出，记住排线、插座的位置，插头上无标记的。取下两块电路板，剩下的就是如图4-1所示的主电路了。直接测量逆变模块的G1、E1和G2、E2之间的触发端子电阻，都应为无穷大。如果驱动电路与IGBT还在连接状态下，则G1、E1触发端子之间往往并接有10kΩ电阻（大功率机型3kΩ左右），则正、反向电阻值均应为10kΩ。有了正、反向电阻值的偏差，在排除掉驱动电路的原因后，则证明逆变模块已经损坏。

这是从IGBT输入信号端子检查其电阻值判断IGBT好坏的方法。先从主接线端子测量，确定集电极和发射极之间无短路故障，再从输入端子确定栅极、发射极之间无漏电和短路故障。这两项在线测量都没有问题，一般情况下认为模块基本上是好的。但此时下一个定论，仍是为时过早的。

上述测量方式是仅从输入、输出端子对直流回路（P、N端）之间来进行的，是在线测量方法之一种，第二种在线测量方法，是上电后进一步检测逆变功率电路是否正常。

所有的检修工作结束后，为变频器接入供电电源，先空载测量三相输出电压，其中不含直流成分，三相输出电压平衡后，再带上一定负载，使变频器的输出电流达到5A左右，逆变模块（IGBT）导通内阻变大的故障便能暴露出来。

（4）IGBT器件的工作参数

小李：IGBT的代换需要注意什么呢？检修中需要关注的工作参数是哪些啊？

咸工：IGBT的主要工作参数有：

集电极-发射极的极间电压V_CES：栅-射结短接时，集电极与发射极之间所能施加的最高电压；

控制电压V_GES：在集电极和发射极短接时，栅极与发射极所能施加的最大电压；

集电极电流I_C：集电极能允许的最大直流电流；

最大耗散功率P_C：单个IGBT所允许的最大耗散功率；

其他参数：IGBT关断时的漏电流值、饱和导通时集电极-发射极之间的电压降（饱和压降）、输入电容值（在指定供电电压下，集电极-发射极交流短路时，栅-射结所呈现的电容值）等。

其中的关键参数即V_CES和I_C这两项参数，是代换元件时的首选和必选参数值。

在三相380V交流供电条件下，V_CES值应为1200V或为1200V以上（如1600V）；I_C值应为变频器额定功率值的2～3倍。如30kW变频器，应选用I_C=120～200A，V_CES=1200V的IGBT模块。

（5）IGBT器件的代换

有些小功率机型采用分立IGBT器件，可据其额定电流值（I_C）和耐压值（V_CES）选用配件。有些维修人员，有时利用电磁灶上的配件，如FGA25N120（25A1200V）、G40N150D（40A1500V）代用损坏元件也是可以的。

一体化模块，考虑到内部电路结构和引脚排列、器件尺寸等多个指标，一般是选用原型器件，予以代换，若选用封装尺寸差别较大的器件，则改装困难，工作可靠性变低。

大、中功率IGBT模块，应该根据额定电流值（I_C）和耐压值（V_CES）选用配件，其原则是，配件参数值应等于或大于损坏元件，并且封装形式与安装尺寸与损坏元件接近或一致，即可代用。如1600V50A器件，可代换35A1200V的IGBT器件。