IGBT在DF100A型PSM短波发射机功率模块中的应用分析与维护

燕济安

摘 要：绝缘栅双极性晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种新型的电力电子器件，它具有控制方便、开关速度快、工作频率高和安全工作区大等优点。随着电压、电流等级的不断提高，IGBT成为了大功率开关电源、变频调速和有源滤波器等装置的理想功率开关器件，在电力电子装置中得到了非常广泛的应用。它在DF100A型PSM短波发射机的功率开关模块中是控制700 V直流电压输出的核心电子开关，决定着该级模块的运行质量。

关键词：IGBT；功率模块；PSM；核心电子开关

中图分类号：TN386 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.09.091

1 IGBT简介

IGBT是功率模块的组成部分之一，可作为电子开关使用，具有高达10 kHz的开关频率，可在<400 ns的时间内接通和切断一个700 V的电压。它主要由绝缘栅双极性晶体管Q1组成，Q1的第一个晶体管邻近于电源，称为AC管，又名保护管；第二个晶体管邻近于负载，称为DC管，又名开关管。这两只晶体管的栅极具有场效应管的电压控制特性，发射极和集电极间具有晶体三极管的电流控制特性，因此，其具有比一般晶体三极管高1倍的输入阻抗。IGBT最大的优点为无论在导通状态，还是短路状态都可以承受电流冲击。

2 IGBT的结构和工作原理

IGBT在本质上是一个场效应晶体管，在漏极和漏区间多了1个P型层，其简化等效电路如图1所示。图1中Rdr是厚基区GTR（晶体管）的扩展电阻。IGBT是以GTR（晶体管）为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。IGBT的开通和关断是由栅极电压控制的。当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通；在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT被关断。

3 IGBT的AC管和DC管的控制原理

在功率模块正常工作时，AC管是常通的，如图2所示。在一路+12 V电源中，通过R3和稳压管VR1使C点得到5.1 V电压，并加至U2的反相输入端；另一路+12 V电源经中的R2对C4充电，使A点电压达到6 V并加至U2的同相输入端，使其7脚输出高电平“1”。该高电平加至RS触发器的“S”置“0”端。由于Q端为“0”经反相器U5反相为高电平“1”，即将1个+12 V的高电平送至AC管的栅极使AC管导通，相当于将1个700 V电压加在DC管的集电极上。当外电降低幅度较大，输入的电源变为10 V以下时，将出现A点电位下降至5 V，且低于C点5.1 V的情况。比较器发生变化，使B点变为低电平，使RS触发器S端的状态变化，将使Q端输出高电平，经反相器U5输出一个低电平“0”，并加至AC管的栅极，将AC管关断。

DC管的导通或截止是通过光缆传递指令信号，并经通断电

路发出高低电平实现的，如图3所示。

光接收器U8是带有光电耦合的整形电路，在没有光信号触发下，它的输出为高电平“1”，表示拉开关；反之，则输出低电平“0”，表示合开关。U8未收到光信号时，其1脚为“1”，加至与非门U11的6脚。因5脚为高电平，所以，其4脚为“0”，又加至第二个与非门U11的12脚。由于13脚输出端没有出现短路故障，所以，其为高电平，因此，U11的11脚输出高电平“1”，经反相器U12输出1个低电平加至DC管的栅极，使DC管截止。当U8收到光信号时，其1脚由“1”变为“0”，使U11与非门的4脚输出由“0”变为“1”，从而又使另一个U11与非门的11脚输出由“1”变为“0”，这个低电平经2个并联的反相器U12后输出高电平“1”，这个高电平可使对应的DC管导通。

图2 AC管控制电路

图3 DC管控制电路

4 AC管和DC管击穿对杂音指标的影响

功率开关模块的正常运行对保证发射机的杂音指标有非常重要的意义，而功率模块的正常运行与开关管的合断控制信号有直接关系。因此，AC管和DC管的正常与否意义重大。在实际维护中发现，测指标时杂音不入级，用示波器发现有1.5 kHz左右的杂音频率，并能听到明显的低频啸叫声。从状态指示看，DC指示灯均亮，但实际上在循环中有异常模块，通过将功率降到0发现，模块DC灯亮，而实际上DC管应全部关断。因此，甩开该模块，重新测量指标显示正常。经分析认为，参与循环的异常模块输出的电压比正常值高很多，会造成合成主电压时周期性偏高，这样必然会产生较大的杂音。据估算，模块的输出电压为600 V，主整电压为10 kV时，理论上产生的杂音为-24 dB。由此判断，当IGBT的AC管击穿，功率开关控制板提供指示给状态板，表明该模块电压运行正常。因DC管击穿导致开关管一直开通，环形调制器依据状态板的指示而使其参

加工作循环，导致杂音指标下降。因此，在日常维护中应及时排除有AC管和DC管故障的模块，改善发射机的杂音指标，保证高质量的传输。

5 IGBT的测量和判断

IGBT作为一种大功率的复合器件，在工作时易受到容性或感性的冲击，导致超负荷甚至发生短路，进而导致IGBT击穿或损坏。如何快速判断本级IGBT的质量是维护人员必备的技能，下面提供2种测量方法，可参照图4进行。

图4 测量参照图

5.1 在线测量

采用数字万用表的二极管档位，分别用表笔测量C2E1、E2和C1中的任意两点，再对换表笔。如果可测得相当于二极管正向导通、反向截止的情况，则可大致判断该IGBT正常。

5.2 脱机测量

将模块脱开电路后，可采用测量场效应管子（MOSFET）测试。将指针式万用表打到x10 k档，黑表笔接C极，红表笔接E极。此时，所测量电阻值近乎无穷大。搭好表笔，用手指将C极与B极碰触并断开，指示由无穷大阻值降为200 k左右；过几十秒钟甚至更长的时间，测量C与E间的电阻（黑表笔接C极），仍能保持200 k左右的电阻；搭好表笔，用手指短接一次B、E极，C、E极之间的电阻又重新变为接近无穷大，说明该IGBT正常。对于触发端子的测量，还可以配合电容表测其容量，以提高判断的准确度。此外，功率容量大的模块，其两端子间的电容值也稍大。

6 IGBT使用中的注意事项

由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，所以，驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离，要有较强的抗干扰能力；由于IGBT模块的耐过流能力和耐过压能力较差，一旦出现意外，则易损坏。因此，模块的驱动电路中应设有过流、过压和过热等保护功能；在安装或更换IGBT模块时，应重视IGBT模块与散热片的接触状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，应在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂，且使用与原机同型号的IGBT；不同型号的IGBT的饱和压降也不同，在同等条件下测试，其输出饱和压降差最大可达到20 V。

IGBT具有多种优良的特性，得到了快速的发展和普及，已应用到了电力电子的各方各面。因此，熟悉IGBT模块性能，了解选择和使用时的注意事项，熟练掌握其故障判断技巧和安装经验，对实际维护、维修功率模块是十分必要的。

〔编辑：张思楠〕