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新能源汽车IGBT模块静态测试 动态测试第三方测试报告

2018-11-12 10:19:12·  来源：广电计量 汽车零部件检测实验室  
　
IGBT模块工作原理以及检测方法IGBT模块简介IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器
IGBT模块工作原理以及检测方法
 
IGBT模块简介
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，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、率应用中占据了主导地位。
可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C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G—发射极E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。
2 IGBT模块的选择 IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降温等使用。 3 使用中的注意事项 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；
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。
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。 此外，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。
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。 
 
4 保管时的注意事项 
1.  一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为 5～35 ，常湿的规定在45～75％左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿; 
2.  尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合；
3.  在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象，因此IGBT模块应 放在温度变化较小的地方；
4.  保管时，须注意不要在IGBT模块上堆放重物； 5. 装IGBT模块的容器，应选用不带静电的容器。

二．IGBT模块得测试简介
根据测试条件和测试线路的不同，可将IGBT模块的测试分为两大类：一类是静态参数测试，即在IGBT模块结温为25时进行测试，此时IGBT工作在非开关状态；另一类是动态参数测试，即在IGBT模块结温为125时进行测试，此时IGBT工作在开关状态。

1. 静态参数测试
（1）栅-射极最大漏电流IGES测试 ，该项测试在额定的G-E极电压下进行。测试时必须将G-E极短路。其测试原理如图1a所示。通常情况下，Vdrive=±20V。此时IGES(+)＜100nA，而IGES(-)＞-100nA.
（2）栅极阈值电压VCE(th)测试在该项测试中，须将G-E极短路，测试原理如图1b所示。从集电极注入一恒定的电流，此时因IGBT处于关断状态，故不会有电流从C-E结间流过。G-E极间固有的电容开始充电，当G-E结上电压达到VGE(th)时，IGBT开始导通。此时，将有电流从C-E结流过，通过监控该电流就能达到测试VGE(th)的目的。
VGE(th)呈负温度系数特性，经过测试，其温度系数为：-11mV/。例如，在25时，VGE(th)=3V,到150时，VGE(th)只有1.63V。
（3）C-E极通态压降VCE(on)测试即指在额定集电极电流Ie和额定G-E极电极VGE下的G-E极通态压降。该参数是IGBT营业中的重要参数，其大小直接决定通态损耗的大小。测试原理图见图2a。
（4）续流二极管的正向压降VEM测试即指IGBT模块中与IGBT芯片反并的续流二极管的正向压降。该值与IGBT模块的关断特性紧密相关，若VEM小，则IGBT关断速度快，关断损耗会减小，但是关断时IGBT上的过冲电压尖峰较高；反之，则会造成关断损耗增大。其测试原理如图2b所示。
（5）C-E极漏电流ICES测试进行该项测试时，G-E极应短路，在C-E极上加IGBT的额定电压Ve set.测试原理图见图3a。
（6）G-E极阻断电压VCES(Bias)测试进行该项测试时，栅极和发射极应短路。在指定的集电极电流值ICset下，集-射极上的最小电压即为VCES(Bias)。通常情况下，Ie set=1mA.测试电路见图3b。
IGBT的阻断电压随结温的上升而上升。对于额定电压为600V的IGBT，其VCES(Bias)通常为25时的阻断电压，因为它随温度下降而降低，所以在-40时，额定电压600V的IGBT模块，其VCES(Bias)≈550V。
 
2. 动态参数测试
（1）擎住电流LUT测试IGBT的纵向结构为pnpn4层结构，如果条件合适，踏能像晶闸管一样擎住，此时IGBT的负载为阻性负载。通常情况下，集电极电压VCC为额定电压60%擎住电流为额定电流的两倍。LUT测试的时序如图4所示。通常测试系统的电流保护值Iprot设定为额定电流的3.5~4倍。
（2）能耗Eloss测试对于电路设计者来说，开关过程中元件内部的能量损耗非常重要，藉此可以计算出开关损耗的平均值。进行此项测试时，IGBT的负载为感性负载。总的开关损耗值由两部分组成：开通损耗Eon,其中包括与IGBT芯片反并续流二极管的反向恢复损耗；关断损耗Eoff,包括电流拖尾部分的损耗。IGBT开关损耗波形如图5所示。
（3）反偏安全工作区（RBSOA）测试该项测试主要用于考核IGBT模块关断时工作在最大电流和电压下的工作能力。此时，IGBT的负载为感性负载，其测试原理图和参考波形如图6a所示。
（4）短路（SHORT CIRCUIT）测试该项测试是在一定的VCC下检测IGBT模块直接对电源短路的有限时间，借此考核IGBT承受电流郭冲的能力。其测试原理图和参考波形如图6b所示。
 
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