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大功率IGBT半导体模块测试长禾实验室

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最后更新: 2021-03-25 16:22
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IGBT模块工作原理以及检测方法

IGBT模块简介

IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双型晶体管)的缩写,IGBT是由MOSFET和双型晶体管复合而成的一种器件,其输入为MOSFET,输出为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。

可知,若在IGBT的栅G和发射E之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电C与基之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅和发射之间电压为0V,则MOS 截止,切断PNP晶体管基电流的供给,使得晶体管截止。IGBTMOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅G—发射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。

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模块集电电流时,所产生的额定损耗亦变大。同时,开关损耗使原件发热加剧,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,由于开关损耗发热加剧,选用时应该降温等使用。

使用中的注意事项

由于IGBT模块为MOSFET结构,IGBT的栅通过一层氧化膜与发射实现电隔离。由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般达到2030V。因此因静电而导致栅击穿是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,当要触摸模块端子时,要先 将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驱动电压没有超过栅大额定电压,但栅连线的寄生电感和栅与集电间的电容耦合,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。在栅连线中串联小电阻也可以振荡电压。此外,在栅发射间开路时,若在集电与发射间加上电压,则随着集电电位的变化,由于集电有漏电流流过,栅电位升高,集电则有电流流过。这时,如果集电与发射间存在高电压,则有可能使IGBT发热及至损坏。在使用IGBT的场合,当栅回路不正常或栅回路损坏时(栅处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为防止此类故障,应在栅与发射之间串接一只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,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。

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 535℃ ,常湿的规定在4575%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. IGBT模块的容器,应选用不带静电的容器。

IGBT模块的测试简介

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-射大漏电流IGES测试 ,该项测试在额定的G-E电压下进行。测试时将G-E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)栅阈值电压VCE(th)测试在该项测试中,须将G-E短路,测试原理如图1b所示。从集电注入一恒定的电流,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,150℃时,VGE(th)只有1.63V

3C-E通态压降VCE(on)测试即指在额定集电电流Ie和额定G-EVGE下的G-E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,但守断时IGBT上的过冲电压尖峰较高;反之,则会造成关断损耗其测试原理如图2b所示

5C-E漏电流ICES测试进行该项测试时,G-E应短路,在C-E上加IGBT的额定电压Ve set.测试原理图见图3a

6G-E阻断电压VCES(Bias)测试进行该项测试时,栅和发射应短路。在的集电电流值ICset下,集-射上的小电压即为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600VIGBT,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600VIGBT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模块关断时工作在大电流和电压下的工作能力。此时,IGBT的负载为负载,其测试原理图和参考波形如图6a所示。

西安长禾半导体技术有限公司功率器件测试实验室(简称长禾实验室)位于西安市高新技术经济开发区,是一家从事功率半导体器件测试服务的高新技术企业,竖家CNAS 认可实验室,属于大功率器件测试服务中心。

长禾实验室拥有的系统设备的技术团队和完善的服务体系。实验室现有的测试仪器设备100余台套测试人员20余名。我们紧跟国际国内标准,以客户需求为导向,不断创新服务项目和检测技术,借助便利的服务网络,为合作伙伴提供的技术服务。

长禾实验室专注于功率半导体器件的动、静态参数检测、可靠性检测、失效分析、温循试验、热阻测试等领域的技术服务。业务范围主要涉及国内轨道交通、风力发电、科研单位院所、工业控制船舶、航空航天、新能源汽车等行业。也是第三代半导体(宽禁带半导体)应用解决方案服务商。


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