科士达UPS电源IGBT故障的判定方法
2021-07-06
IGBT模块是否提坏，可以通过晶体管特性测定装置(晶体管特性曲线描绘器，下称CT)，对以下项目进行检查从而判定。
(1)G-E间的漏电流。
(2)CE间的漏电流。
另外，除了CT以外，也可以使用万用表等用于测量电压和电阻的装置简单地判断故障。
1)G-E间检测
使CE间处于短路状态，测定G-E间的漏电流或电阻值(请不要在G-E间外加超过20V的电压。使用万用表时，必须确认其内部的蓄电池电压在20V以下)。如果IGBT正常，漏电流将变成数百纳安级(使用万用表时，电阻值为10M0至无穷大)。在除此以外的状态下，元件已经损坏的可能性很高(一般情况下，如果元件已损坏，G-E间将处于短路状态)。
2）C-E间检测
让G-E间处于短路状态，测定C-E间(连接方式：集电极为+，发射极为一。若相反，则FWD导通，CE间将短路)的漏电流或电阻。如果IGBT正常，漏电流将处于使用说明书中记载的Ioxs最大值以下(使用万用表时，电阻数为10M0至无穷大）。在除此以外的状态下，元件已经损坏的可能性很高（一般情况下，如果元件已损坏，C-E间将处于短路状态)。
3.典型故障及其应对方法
1）在G-E间开救秋态下外加主电路电压而导致的元件摄坏在门极一发射极间开放的状态下外加主电路电压，会使IGBT自动导通，通过过大的电流，使元件损坏。在UPS电流系统中，当驱动电路出现故障时，经常连带发生IGBT损坏的事故，这正是由于在G-E间开放状态下外加主电压引起的。
2)由于反偏压门极电压一Ucz不足而导致的IGBT误触发
反偏压门极电压-Ucr一旦不足，将会引起IGBT误触发，使上下支路的IGBT双方均导通，形成短路电流。切断该电流时，可能由于浪涌电压和发生的损耗面损坏IGBT。产生上述现象的原理。首先，对置支路的IGBT处于开通状态时，图1.52中的FWD应反向恢复。此时，C-E间产生如。由于该du/dr，电流Ioc通过CG间的反向传输电容Cogs、门极电阻Rc；流动，该Ioc在Rc的两端引发AU=Ioc×Rc电位差，Uce按如。此时，一旦Ucg峰值电压超过IGBT的UcEx)，则IGBT导通，上下支路流过短路电流。
反之，只要UcE峰值电压不超过IGBT的UcE()，上下支路就没有短路电流流过，因此为了避免发生这种不良现象，外加足够的反偏压电压(-UcE)很重要。需要的-Ucg值随使用中的驱动电路和门极配线、Rc等变化，因此在检修一台UPS逆变器上下支路是否有短路电流时，可以用下面的方法进行确认。首先，如图所示将逆变器输出端(U、V、W)开放(无负荷)。然后，启动逆变器，驱动各IGBT。此时，如果检测出从电源线流出的电流，则可以确认上下支路是否有短路电流。如果反偏压电流充足，则能测出元件的结电容充电的微小的脉冲电流（额定电流的5%左右）。但是，如果反偏压(-UcE电压)不足时，该电流将变大。如果出现电流变大，请及时更换驱动电源或者在G-E间附加C。的一半左右的电容（Ccx)，但是附加Ccx的方法会很大程度地影响交换时间和交换损耗。另外，上下支路流过短路电流的重要原因除了上述的da/dr误触发以外，还有空载时间不足的现象。在发生该现象时，可测量到短路电流，即使在增加反偏压电压值后短路电流仍不减少的情及下，也可采取增加空载时间的对策。
3)瞬态导通状态的二极管反向恢复(微小的脉冲反向恢复)现象IGBT模块中内置了FWD，充分重视FWD的作用对于一台高可靠性的装置非常重要。下面对于这种与IGBT损坏有密切联系但又鲜为人知的微小脉冲反向恢复现象进行说明。
这种现象是由于IGBT在驱动时受杂波等影响而使门极信号短暂中断，对置支路侧的FWD的CE间形成非常大的反向恢复浪涌电压的现象。受该现象的影响，一旦产生超出产品耐压保证值的浪涌电压就可能损坏元件。一般确认在tu<1ys的范图中，浪涌电压会急剧增加。产生这种现象的原因是，FWD导通后在极短的时间内进入了反向恢复状态，在FWD中还没有积蓄充分数量的载流子的状态下外加电压，过渡层迅速扩大，使其产生强烈的di/dt、du/dt。在浪涌电压超出元件的耐压值时，可以通过加大Rc，降低电路中的电感，强化缓冲电路，附加CcE等浪涌电压对策。
4）并联时的振荡现象
对于一些大功率电源，需要将IGBT模块并联连接使用，主电路配线的均衡性变得非常重要。在无法取得配线均衡的情况下，配线过短的元件工作时将发生过渡电流集中，可能导致元件损坏或长期的可靠性降低。另外，在无法实现主电路配线均衡性的电路中，它的主电路电感也不能与各元件平衡，由于工作时的di，各配线的电感上产生不连续的电压。这种电压引起环路电流等异常振荡电流，可能导致元件的损坏。这是由于在并联连接的发射极部位，配线环路中流过振荡电流，使门极电压振荡，IGBT高速导通、断开，发生振动现象。作为该现象的对策，是在各门极一发射极的配线中插入共模线圈，使发射极处的环路电流无法流过。
国内外技术现状及发展趋势
IGBT是新型电力电子器件的主流器件之一，IGBT在设计上将MOS和品体管结合起来，在性能上兼有双极型器件压降小、电流密度大和MOS器件开关快、须率特性好的双重优点；在制造上，在高电压、大电流的晶闸管制造技术基础上采用了集成电路微细加工技术。目前，国外生产IGBT的公司有日本的三菱、东芝、富士、日立，美国的IR、IXYS、SGS、Thomsons、Motorola,德国的西门子等。
IGBT产品主要分为下列四类。
(1)单独的IGBT：电流为15~400A，电压为400~1200V。
(2）半桥IGBT：电流为15~75A，电压为500~1000V。
(3)全桥IGBT：电流为18~32A，电压为400~500V。
(4)三相IGBT：电流为15~100A，电压为400-1200V。
IGBT产品已模块化，每个IGBT都并联续流二极管，然后以一单元、二单元、六单元形式封装在同一模块外壳内。
近几年来，我国开发出IGBT及其模块，填补了我国1GBT器件的空白。进入20世纪90年代，IGBT耐压水平、电流容量和性能迅速提高。IGBT的耐压水平正向4500V方向发展，电流容量向2000~2500A发展。由IGBT构成的功率集成电路发展很快，智能化模块(IPM)研究水平达到400A、1200V。
