Проверка силовых IGBT- и MOSFET-модулей в полевых условиях

Силовые полупроводниковые модули проходят многоступенчатый контроль в процессе их изготовления. Такие испытания требуют применения дорогостоящего оборудования и тщательного контроля режимов тестирования, поэтому заказчикам при проведении диагностики важно понимать ее цель. В сервисной практике часто необходимо оперативно оценить состояние силового ключа непосредственно на объекте. Ошибочно выбранная методика проверки способна не только привести к необоснованной замене исправного компонента, но и вызвать его повреждение.

Что проверяют на производстве

На предприятии-изготовителе силовые модули испытывают на специализированных установках, которые обеспечивают номинальные токи от сотен до тысяч ампер и напряжения до нескольких киловольт. Испытательное оборудование проверяет характеристики проводимости и переключения, блокирующие свойства прибора, свойства изоляции и многие другие параметры.

Только такой комплекс испытаний подтверждает соответствие изделия его спецификации. Поэтому входной контроль готовых модулей низковольтными средствами измерения в большинстве случаев и не имеет смысла, поскольку не может заменить полноценную процедуру тестирования, проводимую производителем элементной базы на специализированном оборудовании в соответствии с международными стандартами.

Почему входная проверка может быть ошибочной

Некоторые заказчики проводят входной контроль компонентов перед монтажом, особенно если ранее они сталкивались с некачественными поставками. Однако такие проверки, особенно проводимые на низковольтном оборудовании, не могут воспроизвести рабочие режимы, указанные в технической документации. Их результатом может стать как ложная отбраковка, так и повреждение полупроводника.

Например, существует порочная практика проверки состояния диода или тиристора путем измерения сопротивления перехода. На самом деле для оценки блокирующих свойств полупроводника требуется контролировать ток утечки при номинальном напряжении и повышенной рабочей температуре. Вопросы качества разумнее решать совместно с поставщиком, а функциональность компонентов подтверждать в процессе тестирования конечного оборудования.

Первичная диагностика на объекте

При отказе преобразовательной системы необходимо до повторного запуска определить состояние силовых модулей и понять, требуется ли их полная либо частичная замена. В полевых условиях для первичного контроля обычно достаточно цифрового мультиметра (DMM) с возможностями проверки полупроводниковых переходов и измерения емкости. Полезен и регулируемый лабораторный источник питания.

Такой набор не позволяет измерить все параметры силового ключа, но помогает выявить явно поврежденные компоненты и избежать опасного включения системы с катастрофическими последствиями.

Диоды и возможности мультиметра

В режиме проверки диодов цифровой мультиметр пропускает через компонент небольшой ток и показывает соответствующее прямое падение напряжения. Для мощных выпрямительных и антипараллельных диодов IGBT это значение не следует сравнивать с параметром VF0​ из технической спецификации, который необходим для линейной аппроксимации вольт-амперной характеристики.

Показание мультиметра при проверке силовых диодов находится в диапазоне 0,2–0,5 В, большие значения (0,7-2 В) характерны для маломощных кремниевых выпрямителей. В обратной полярности исправный элемент должен блокироваться, и измеритель обычно отображает разрыв цепи, например OL.

Следует учитывать ограничение метода: тестовое напряжение мультиметра составляет единицы вольт, поэтому он не способен подтвердить блокирующую способность диода на уровнях 600, 1200 или 1700 В. Такой прибор выявляет только критическое повреждение, при котором утечка проявляется уже при малом обратном смещении.

Для достоверной оценки необходим высоковольтный лабораторный источник, формирующий напряжение на уровне номинального обратного напряжения полупроводникового прибора. Модуль желательно нагреть до предельной рабочей температуры и измерить обратный ток IDD​ или IRD​, сопоставив его с допустимым значением из спецификации. На величину утечки температура влияет значительно сильнее, чем изменение обратного напряжения.

Омметр не оценивает исправность полупроводникового перехода

Режим омметра иногда используют для диагностики полупроводниковых компонентов. Разрыв цепи действительно может соответствовать сопротивлению утечки в мегаомном диапазоне, а полностью поврежденный (пробитый) переход, как правило, дает малое сопротивление. Но промежуточные значения сами по себе ничего не говорят о работоспособности прибора.

Структура силового полупроводника состоит из областей p- и n-типа с различной степенью легирования. Их профиль определяет электрические свойства переходов, рассчитанных на сотни или тысячи вольт. Напряжения, создаваемого мультиметром, недостаточно для формирования электрического поля по всей структуре перехода и его краевым зонам. Измерительный прибор анализирует лишь ограниченную часть полупроводниковой структуры.

Кроме того, p-n-переход не обладает линейной омической характеристикой, поэтому показания прибора зависят от напряжения измерения. На результат также влияет сопротивление силовых терминалов. Некоторые мультиметры используют напряжение менее 0,6 В, чтобы показания не искажались из-за наличия параллельных переходов диодов и транзисторов. При проверке диодных переходов таким прибором напряжения может не хватить даже для прямого смещения перехода.

Омметр может быть полезен только для отдельных задач, например для контроля сопротивления канала MOSFET. Мегаомметр предназначен прежде всего для проверки изоляции, однако важно понимать, что неграмотное использование высоковольтного измерительного оборудования может вывести силовой полупроводник из строя.

Диодно-тиристорные модули

В одном корпусе могут быть размещены одиночный выпрямитель, полумост или трехфазный мост. Расположение выводов и электрическая схема обычно приведены в технической документации и часто нанесены на сам корпус (рис. 1). Любые измерения мультиметром выполняют только на модуле, отключенном от схемы.

Схема соединений и маркировка выводов диодно-тиристорного модуля показаны на рис. 1:

Рис.1 Схема и расположение выводов диодно-тиристорного модуля

При проверке диода красный пробник (положительный потенциал) подключают к аноду, черный к катоду. Исправный элемент проводит ток, и прибор показывает прямое падение напряжения. После смены полярности должен появиться признак разрыва цепи.

Типовые показания мультиметра при прямом и обратном включении диода и тиристора:

Рис. 2.
а) Типовые показания DMM в прямом (слева) и обратном (справа) включении исправного диода;
б) типовые показания DMM в прямом (слева) и обратном (справа) включении исправного тиристора

У тиристора затвор во время такой проверки остается неподключенным. В этом случае мультиметр должен отображать разрыв цепи в обоих направлениях. Между затвором и катодом тиристора находится p-n-переход, но во многих конструкциях предусмотрен параллельный путь между затвором и анодом для формирования стартового тока. Поэтому сопротивление в цепи «затвор-катод» порядка 10–50 Ом не является признаком неисправности. В режиме проверки диодов напряжение на этом соединении обычно составляет всего 0,01–0,05 В в обеих полярностях.

Особенности измерения цепи «затвор-катод» тиристора иллюстрирует рис. 3:

Рис. 3. Измерение «сопротивления» между затвором и катодом тиристора

 

Контроль IGBT, MOSFET и SiC MOSFET

IGBT чаще всего содержит антипараллельный быстрый диод (FWD), который в состоянии проводимости проверяется так же, как обычный диод. Аналогично контролируют обратный диод («тельный» или встроенный) MOSFET и SiC MOSFET, если он предусмотрен конструкцией (рис. 4).

Расположение выводов и подключение обратного диода в IGBT, MOSFET и SiC MOSFET:

Рис. 4. Расположение выводов, схема подключения обратного диода IGBT, MOSFET, SiC MOSFET

Силовые IGBT и MOSFET управляются подачей напряжения на изолированный затвор. Поэтому диодная функция мультиметра не подходит для измерения падения напряжения на открытом транзисторе. Если есть низковольтный лабораторный источник, сопротивление открытого канала RDS(on)​ MOSFET или SiC MOSFET можно проверить омметром после подачи на затвор отпирающего напряжения VG(on)​, обычно 15–18 В.

Примеры расположения терминалов модулей стандартных IGBT в конструктиве 62мм и ED3 показаны далее:

Рис. 5.
а) Схема расположения выводов модуля IGBT 62мм;
б) схема расположения выводов модуля IGBT ED3

При проверке IGBT красная клемма (положительный потенциал) мультиметра подключается к коллектору, черная - к эмиттеру. В этой полярности исправный модуль должен показывать разрыв цепи. После перестановки щупов прибор отображает прямое падение на антипараллельном диоде.

На рис. 6 показаны ожидаемые показания мультиметра при проверке исправного IGBT:

Рис. 6. Типовые показания DMM в прямом (слева) и обратном (справа) включении исправного IGBT

Переход «затвор-эмиттер» у IGBT, как и «затвор-исток» у MOSFET, имеет емкостный характер. При подключении омметра сопротивление сначала резко падает из-за заряда емкости затвора, а затем возрастает до значений, соответствующих разрыву цепи. Низкое сопротивление или короткое замыкание указывает на повреждение цепи управления.

Оксидный слой затвора очень тонкий и чувствителен к электростатическому разряду, поэтому при измерениях нужно соблюдать требования ESD-защиты. Достаточно информативным критерием исправности является емкость Cge​, однако ее измеренное значение зависит от типа мультиметра и полярности щупов. При подозрении на отказ следует сравнить результат измерения с емкостью заведомо исправного модуля того же типа. Для силовых модулей Cge​ обычно находится в диапазоне от единиц до десятков нанофарад.

Интеллектуальные силовые модули

IPM могут включать не только силовой каскад, но и драйверы затворов, датчики, а также теплоотвод. Проверка антипараллельных диодов в таких приборах выполняется по той же логике, что и у обычных IGBT. Дополнительную информацию дает анализ работы встроенного драйвера.

Проверка антипараллельных диодов в IPM SKiiP и измерительный прибор SKiiP Tester представлены ниже:

Рис. 7.
а) Типовые показания DMM при проверке антипараллельных диодов в модуле IPM SKiiP;
б) измерительный прибор SKiiP Tester

В IPM SKiiP (SEMIKRON) силовые полумосты могут работать независимо, например в трехфазном инверторе GD, либо объединяться параллельно внешними DC- и AC-шинами в полумостовой конфигурации GB. Во втором варианте затворы параллельных IGBT связаны через плату драйвера.

Ремонт драйверной платы на объекте чаще всего нецелесообразен из-за сложности монтажа SMD-компонентов, поэтому неисправный драйвер по возможности заменяют. При этом важным диагностическим параметром остается ток потребления драйвера: его измерение без импульсов управления и при их подаче, с последующим сравнением с эталонными значениями, позволяет с высокой вероятностью оценить состояние модуля.

Например, для SKiiP третьего поколения ток покоя IS0​ при VS​=24 В и fsw​=0 составляет 240 мА. Его измеряют регулируемым источником питания с амперметром, подключенным последовательно; высокое напряжение VDC​ на силовой каскад в этот момент не подают.

Схемы контроля тока потребления драйвера в дежурном режиме и при подаче управляющих импульсов показана на рисунке 8:

Рис. 8. Измерение тока потребления драйвера:
а) в дежурном режиме;
б) при подаче импульсов управления

При поступлении управляющих импульсов TOP/BOT потребляемый ток IS​ рассчитывают по выражению:

Is = (240 + k1×fsw + k2×IAC) мА, где k1 = 29 мА/кГц, k2 = 0,00065 мА/А2

При коммутации обоих ключей на частоте 10 кГц и отсутствии выходного тока ожидаемое значение равно 530 мА. Если коммутирует только один ключ полумоста, ток будет находиться в интервале 240–530 мА.

Также необходимо проверить отсутствие сообщений об ошибках, включая UVLO, перегрев и перегрузку по току. Без подачи силового напряжения таких сигналов быть не должно. Поскольку большинство драйверов не располагает полноценной функцией самодиагностики, активный выход ERROR может свидетельствовать о неисправности.

Модули после длительного хранения

Возможность дальнейшего применения силового модуля определяется не только сроком, но и условиями хранения. Допустимый диапазон Tstg​ приводится в документации, однако многие изготовители ограничивают гарантированный срок хранения одним годом в сухом отапливаемом помещении.

Главный риск связан с влагой, которая накапливается в силиконовом геле. Этот материал обеспечивает изоляцию DBC-подложек, защищает внутренние элементы от загрязнений и снижает механические напряжения. Водяной пар и другие низкомолекулярные газы проникают в гель и оседают на DBC-подложке. Влага изменяет распределение электрического поля в краевых областях и фотоимидном изоляционном слое. Ее попадание на кристалл при подаче напряжения ускоряет коррозию и может вызвать отказ модуля.

Накопление влаги на изолирующей подложке и кристаллах IGBT показано на рисунке 9:

Рис. 9. Накопление влаги на изолирующей подложке и чипах IGBT

При +18 °C скорость диффузии ионов воды в силиконовом геле составляет около 0,04 мм/с, а при +100 °C возрастает примерно до 1 мм/с. Слой геля толщиной около 5 мм насыщается приблизительно за пять часов. Постоянная времени накопления влаги в типовом силовом модуле составляет около восьми часов; после четырех часов сушки при комнатной температуре в геле может оставаться примерно 40% влаги.

Подавляющее большинство выпускаемых в мире силовых модулей соответствует климатическому классу 3K3 по EN 60721-3-3 в рамках EN 50178.

С учетом изоляционных зазоров они могут применяться в средах со степенью загрязнения 2 в условиях, предусмотренных стандартами EN 50178 и EN 61800-5-1 (табл.). Это означает, что при эксплуатации не допускается попадание капель воды или конденсация влаги. 

Таблица. Климатический класс 3К3 (расширенный) по стандарту EN60721-3-3:

Параметр	Значение
Температура окружающей среды	–20…+55 °С
Температура охлаждающей среды	–20…+55 °С
Относительная влажность	5–85% 85% при Т = +30 °С 50% при Т = +40 °С 20% при Т = +55 °С
Абсолютная влажность	26 г/м³
Высота над уровнем моря без снижения параметров	1000 м
Степень загрязнения (2.5.59 IEC 60947-1)	2

Перед запуском оборудования после продолжительного хранения или простоя рекомендуется прогреть систему циркуляцией теплого воздуха либо теплоносителя. Внутреннюю относительную влажность модуля желательно снизить до 60% или меньше. Наиболее интенсивное удаление влаги происходит в первый час сушки.

Динамика изменения относительной влажности внутри модуля в процессе сушки при +40 °C представлена на рисунке 10:

Рис. 10. Изменение RH внутри модуля в процессе сушки при температуре +40 °С для различных условий окружающей среды

Перед монтажом модулей, долго находившихся на хранении, их можно выдержать сутки в муфельной печи или климатической камере при температуре выше +30 °C, предпочтительно +40…+60 °C. Такая процедура не гарантирует безусловную работоспособность, но обычно помогает удалить остаточную влагу из силиконового геля.

Когда мультиметра недостаточно

Простейшие измерительные приборы подходят для поиска очевидных неисправностей, но глубокая диагностика преобразовательной техники требует применения специального оборудования, например цифрового осциллографа высокого разрешения. При измерениях необходимо отличать реальные помехи от колебаний, которые создает паразитный контур щупа. Для этого сигнальный и общий выводы соединяют непосредственно в точке измерения: если шум сохраняется, он вызван измерительной схемой; если исчезает, помеха присутствует в контролируемом сигнале.

Пример паразитных осцилляций, вносимых распределенным контуром щупа осциллографа, показан на рис. 11:

Рис. 11. Паразитные осцилляции, создаваемые распределенным контуром щупа осциллографа

Для профессионального исследования коммутационных процессов применяют дифференциальный пробник напряжения и петлю Роговского. Они позволяют регистрировать реальные формы тока и напряжения без существенного влияния паразитных параметров измерительного контура. Петля Роговского особенно полезна при измерении импульсных токов в труднодоступных местах, в том числе на выводах корпусов TO-220 и TO-247.

Пример использования профессиональных средств измерения для анализа силовых импульсных преобразователей показан на рисунке 12.

Рис. 12. Основные инструменты разработчика силовой электроники: петля Роговского и дифференциальный пробник напряжения

Силовой модуль представляет собой сложное устройство, полная оценка которого невозможна без специального испытательного оборудования. Однако цифровой мультиметр с режимами проверки диодов и измерения емкости вместе с лабораторным источником питания позволяют быстро обнаружить явно неисправный или подозрительный компонент. Повторный запуск преобразовательной системы с поврежденными силовыми ключами недопустим и может привести к тяжелым последствиям.

Воспользуйтесь формой для заказа образцов и консультации наших специалистов:

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ

или свяжитесь с нами: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20