电路板中IGBT和IPM的功能及检修方法

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是绝缘栅双极型晶体管的简称，可看做前级MOSFET和后级大功率三极管（GTR）的组合， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的可通过大电流的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，在工控行业的变频器、伺服驱动器、大功率电源、逆变器等设备中已经广泛应用。

 图8.1 IGBT

根据应用需要，IGBT可以是单个，也可以多个做成一体。常见的是两个做成一体或6个做成一体，这便于组成直流电机或三相电机的驱动电路。

图 8.2 典型的IGBT模块内部电路

如图8.2所示，是一个典型的IGBT模块的内部电路，此模块包括了6个三相桥式整流二极管，上桥臂三个IGBT驱动管，下桥臂三个IGBT驱动管，每个IGBT的C、E极都并联了一个续流二极管，给制动减速时电机线圈产生的高压提供回馈通路。模块还内置一个制动IGBT，用于迅速泄放能量；内置一个热敏电阻，监测模块内部温度。

IGBT的测量按照MOSFET的测量方法即可。对IGBT模块的测量，对内部元件可单个单个测量，每个都测试通过即可。IGBT的耐压测试可使用耐压测试仪或带耐压测试功能的晶体管测试仪。

IGBT模块是价格相对较高的电子元件，市面上有不少拆机模块，价格相对全新模块有优势，性能测试也都符合要求，维修中使用这些拆机模块也无可厚非，但有不良商家偷梁换柱，将电流值低一档次但外观一致的模块经过重新打磨贴标，冒充高一档电流的模块出售，这些模块工作在其额定电流内一般也不会出现问题，一旦电流高出额定值，往往造成炸机后果。笔者亲遇此情形数次，每每怀疑自己的维修技术水平。其实可有一法检定模块的额定电流水平，即测IGBT的栅极G对发射极E的结电容，电容量大则电流大，所以只要将购入模块和损坏模块的G、E结电容比较一下就可判断模块有无猫腻。

IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模块，内部不仅包含了电子开关和功率驱动部分电路，还集成了欠压、过流、过热等保护电路。

图8.3 IPM智能模块PM30RSF060的内部结构图

图8.3是IPM模块PM30RSF060的内部结构图，从图中可以看出，在IPM的每一个IGBT管子（包括制动的IGBT）的前级都设有驱动及保护电路，每一组电路的接入引脚包括电源引脚、信号输入引脚和报警输出引脚，每当模块有欠压、过流、过热情形发生，异常报警信号Fo便有效输出，这个信号可以用来关断驱动信号的输入，从而起到保护作用。

IPM的特点：

IPM与以往IGBT模块及驱动电路的组件相比具有如下特点：

(1)内含驱动电路。设定了最佳的IGBT驱动条件，驱动电路与IGBT间的距离很短，输出阻抗很低，因此，不需要加反向偏压。所需电源为下桥臂1组，上桥臂3组，共4组。

(2)内含过电流保护(OC)、短路保护(SC)。由于是通过检测各IGBT集电极电流实现保护的，故不管哪个IGBT发生异常，都能保护，特别是下桥臂短路和对地短路的保护。

(3)内含驱动电源欠电压保护(UV)。每个驱动电路都具有UV保护功能。当驱动电源电压小于规定值时，产生欠电压保护。

(4)内含过热保护(OH)。OH是防止IGBT、FRD(快恢复二极管)过热的保护功能。IPM内部的绝缘基板上没有温度检测元件，检测绝缘基板温度Tcoh(IGBT、FRD芯片异常发热后的保护动作时间比较慢)。R-IPM进一步在各IGBT芯片内设有温度检测元件，对于芯片的异常发热能高速实现OH保护。

(5)内含报警输出(Fo)。Fo是向外部输出故障报警的一种功能，当OH及下桥臂OC、Tjoh、UV保护动作时，通过向控制IPM的微机输出异常信号，能切实停止系统。

(6)内含制动电路。和逆变桥一样，内含IGBT、FRD、驱动电路、保护电路，加上电能释放电阻可构成制动电路。

IPM智能模块内部元件牵连较多，除非明显的IGBT短路损坏，不太容易判断好坏。测试功能可以分别针对独立的单元，因为上端桥臂3路驱动电源独立，下端桥臂3路驱动电源共用，可以分4次接入电源，方法是使用一端公头一端母头的杜邦线，将母头插入IPM控制脚的插针，然后在公头一端接电源和控制信号，使用万用表测试模块内部对应的U、V、W与P、N脚的导通情况。但是这种方法只能测试模块内部单元能否控制导通和截止，模块内部特性不好，过流、过压、温度保护电路问题并不能测试到。

图8.4 使用杜邦线连接测试IPM模块