IGBT在DF100A型PSM短波發射機功率模塊中的應用分析與維護

燕濟安

摘 要：絕緣柵雙極性晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種新型的電力電子器件，它具有控制方便、開關速度快、工作頻率高和安全工作區大等優點。隨著電壓、電流等級的不斷提高，IGBT成為了大功率開關電源、變頻調速和有源濾波器等裝置的理想功率開關器件，在電力電子裝置中得到了非常廣泛的應用。它在DF100A型PSM短波發射機的功率開關模塊中是控制700 V直流電壓輸出的核心電子開關，決定著該級模塊的運行質量。

關鍵詞：IGBT；功率模塊；PSM；核心電子開關

中圖分類號：TN386 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.09.091

1 IGBT簡介

IGBT是功率模塊的組成部分之一，可作為電子開關使用，具有高達10 kHz的開關頻率，可在<400 ns的時間內接通和切斷一個700 V的電壓。它主要由絕緣柵雙極性晶體管Q1組成，Q1的第一個晶體管鄰近于電源，稱為AC管，又名保護管；第二個晶體管鄰近于負載，稱為DC管，又名開關管。這兩只晶體管的柵極具有場效應管的電壓控制特性，發射極和集電極間具有晶體三極管的電流控制特性，因此，其具有比一般晶體三極管高1倍的輸入阻抗。IGBT最大的優點為無論在導通狀態，還是短路狀態都可以承受電流沖擊。

2 IGBT的結構和工作原理

IGBT在本質上是一個場效應晶體管，在漏極和漏區間多了1個P型層，其簡化等效電路如圖1所示。圖1中Rdr是厚基區GTR（晶體管）的擴展電阻。IGBT是以GTR（晶體管）為主導件、MOSFET為驅動件的復合結構。IGBT的開通和關斷是由柵極電壓控制的。當柵極加正電壓時，MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通；在柵極上加負電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT被關斷。

3 IGBT的AC管和DC管的控制原理

在功率模塊正常工作時，AC管是常通的，如圖2所示。在一路+12 V電源中，通過R3和穩壓管VR1使C點得到5.1 V電壓，并加至U2的反相輸入端；另一路+12 V電源經中的R2對C4充電，使A點電壓達到6 V并加至U2的同相輸入端，使其7腳輸出高電平“1”。該高電平加至RS觸發器的“S”置“0”端。由于Q端為“0”經反相器U5反相為高電平“1”，即將1個+12 V的高電平送至AC管的柵極使AC管導通，相當于將1個700 V電壓加在DC管的集電極上。當外電降低幅度較大，輸入的電源變為10 V以下時，將出現A點電位下降至5 V，且低于C點5.1 V的情況。比較器發生變化，使B點變為低電平，使RS觸發器S端的狀態變化，將使Q端輸出高電平，經反相器U5輸出一個低電平“0”，并加至AC管的柵極，將AC管關斷。

DC管的導通或截止是通過光纜傳遞指令信號，并經通斷電

路發出高低電平實現的，如圖3所示。

光接收器U8是帶有光電耦合的整形電路，在沒有光信號觸發下，它的輸出為高電平“1”，表示拉開關；反之，則輸出低電平“0”，表示合開關。U8未收到光信號時，其1腳為“1”，加至與非門U11的6腳。因5腳為高電平，所以，其4腳為“0”，又加至第二個與非門U11的12腳。由于13腳輸出端沒有出現短路故障，所以，其為高電平，因此，U11的11腳輸出高電平“1”，經反相器U12輸出1個低電平加至DC管的柵極，使DC管截止。當U8收到光信號時，其1腳由“1”變為“0”，使U11與非門的4腳輸出由“0”變為“1”，從而又使另一個U11與非門的11腳輸出由“1”變為“0”，這個低電平經2個并聯的反相器U12后輸出高電平“1”，這個高電平可使對應的DC管導通。

圖2 AC管控制電路

圖3 DC管控制電路

4 AC管和DC管擊穿對雜音指標的影響

功率開關模塊的正常運行對保證發射機的雜音指標有非常重要的意義，而功率模塊的正常運行與開關管的合斷控制信號有直接關系。因此，AC管和DC管的正常與否意義重大。在實際維護中發現，測指標時雜音不入級，用示波器發現有1.5 kHz左右的雜音頻率，并能聽到明顯的低頻嘯叫聲。從狀態指示看，DC指示燈均亮，但實際上在循環中有異常模塊，通過將功率降到0發現，模塊DC燈亮，而實際上DC管應全部關斷。因此，甩開該模塊，重新測量指標顯示正常。經分析認為，參與循環的異常模塊輸出的電壓比正常值高很多，會造成合成主電壓時周期性偏高，這樣必然會產生較大的雜音。據估算，模塊的輸出電壓為600 V，主整電壓為10 kV時，理論上產生的雜音為-24 dB。由此判斷，當IGBT的AC管擊穿，功率開關控制板提供指示給狀態板，表明該模塊電壓運行正常。因DC管擊穿導致開關管一直開通，環形調制器依據狀態板的指示而使其參

加工作循環，導致雜音指標下降。因此，在日常維護中應及時排除有AC管和DC管故障的模塊，改善發射機的雜音指標，保證高質量的傳輸。

5 IGBT的測量和判斷

IGBT作為一種大功率的復合器件，在工作時易受到容性或感性的沖擊，導致超負荷甚至發生短路，進而導致IGBT擊穿或損壞。如何快速判斷本級IGBT的質量是維護人員必備的技能，下面提供2種測量方法，可參照圖4進行。

圖4 測量參照圖

5.1 在線測量

采用數字萬用表的二極管檔位，分別用表筆測量C2E1、E2和C1中的任意兩點，再對換表筆。如果可測得相當于二極管正向導通、反向截止的情況，則可大致判斷該IGBT正常。

5.2 脫機測量

將模塊脫開電路后，可采用測量場效應管子（MOSFET）測試。將指針式萬用表打到x10 k檔，黑表筆接C極，紅表筆接E極。此時，所測量電阻值近乎無窮大。搭好表筆，用手指將C極與B極碰觸并斷開，指示由無窮大阻值降為200 k左右；過幾十秒鐘甚至更長的時間，測量C與E間的電阻（黑表筆接C極），仍能保持200 k左右的電阻；搭好表筆，用手指短接一次B、E極，C、E極之間的電阻又重新變為接近無窮大，說明該IGBT正常。對于觸發端子的測量，還可以配合電容表測其容量，以提高判斷的準確度。此外，功率容量大的模塊，其兩端子間的電容值也稍大。

6 IGBT使用中的注意事項

由于IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，所以，驅動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離，要有較強的抗干擾能力；由于IGBT模塊的耐過流能力和耐過壓能力較差，一旦出現意外，則易損壞。因此，模塊的驅動電路中應設有過流、過壓和過熱等保護功能；在安裝或更換IGBT模塊時，應重視IGBT模塊與散熱片的接觸狀態和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，應在散熱器與IGBT模塊間涂抹導熱硅脂，且使用與原機同型號的IGBT；不同型號的IGBT的飽和壓降也不同，在同等條件下測試，其輸出飽和壓降差最大可達到20 V。

IGBT具有多種優良的特性，得到了快速的發展和普及，已應用到了電力電子的各方各面。因此，熟悉IGBT模塊性能，了解選擇和使用時的注意事項，熟練掌握其故障判斷技巧和安裝經驗，對實際維護、維修功率模塊是十分必要的。

〔編輯：張思楠〕