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(guān)內(nèi)容的教學設計。

【關(guān)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?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）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產(chǎn)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(jié)能環(huán)保等理念的推進，此類產(chǎn)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(guān)內(nèi)容的教學設計。

一、從構(gòu)造理解IGBT的管腳測量與柵極保護

1、IGBT的構(gòu)造

IGBT有三個管腳：柵極G、集電極C和發(fā)射極E，在構(gòu)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(qū)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(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晶體管形成了一個可控硅的結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(fā)射極間搭配適當?shù)目旎謴投O管，構(gòu)成IGBT模塊。

2、從IGBT構(gòu)造認識柵極保護

IGBT的柵極通過一層絕緣氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)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(qū)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(qū)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(gòu)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(qū)動元件無外加電壓時，管子集電極C與發(fā)射極E之間處于關(guān)斷狀態(tài)，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(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窮大，集電極與發(fā)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(nèi)部并聯(lián)二極管的導通電阻，由此結(jié)果也可識別IGBT模塊的管腳。使用數(shù)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(guān)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(fā)射極間施加電壓UGE大于開啟電壓UGE（th）時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。在柵極-發(fā)射極間施加電壓UGE為負電壓時，MOSFET內(nèi)溝道消失，IGBT關(guān)斷。溫度為25℃時，開啟電壓為2～6V，加于柵極-發(fā)射極間的最佳工作電壓可取15V左右。

使用指針式萬用表用于檢測IGBT開關(guān)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(nèi)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(fā)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(fā)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(fā)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?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，實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速。圖2所示為六個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(shù)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(cè)U、V、W相的導線拆除，在直流端P、N無電壓時，使用數(shù)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(shù)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(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U、V、W，萬用表顯示數(shù)值為400mV左右；黑表筆接P，紅表筆測U、V、W，萬用表顯示數(shù)值為超量程。各相之間的正反向特性應相同，若出現(xiàn)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(xiàn)。紅、黑兩表筆分別測柵極G與發(fā)射極E之間的正反向特性，萬用表兩次所測的數(shù)值都為超量程，這時可判定IGBT模塊柵極正常。如果有數(shù)值顯示，則柵極性能變差，此模塊應更換。當正反向測試結(jié)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(wěn)壓管也將擊穿損壞。

參考文獻：

[1]電力電子技術(shù)[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(yè)出版社，2015.