Έλεγχος IGBT module half bridge με πολύμετρο

Οδηγίες βασισμένες στα module:
CM200DY-12H Mitsubishi IGBT 600V 200A &
Semikron SKM195GB066D Dual Half Bridge IGBT Module, 265 A 600 V
 
 


 

Το Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) αποτελεί ένα δομικό ηλεκτρονικό στοιχείο στον τομέα των ηλεκτρικών ισχύος, συνδυάζοντας τα χαρακτηριστικά του Bipolar Junction Transistor (BJT) και του Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET). Δύο από τα κύρια χαρακτηριστικά που καθιστούν το IGBT ξεχωριστό είναι η απομονωμένη πύλη του και η αντοχή του σε υψηλές τάσεις.
Η απομονωμένη πύλη του IGBT αποτελεί ένα σημαντικό χαρακτηριστικό που συνδυάζει τη λειτουργία του MOSFET με τα πλεονεκτήματα της ηλεκτρικής απομόνωσης.

Η λειτουργία της πύλης είναι να ελέγχει το ρεύμα που διαρρέει το IGBT, επηρεάζοντας την αγωγιμότητα του. Όταν στην πύλη εφαρμόζεται θετική τάση, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο που επηρεάζει την κατάσταση αγωγιμότητας του IGBT.
Κατά τη διάρκεια λειτουργίας του IGBT, η πύλη παρουσιάζει χωρητική συμπεριφορά. Κατά την εφαρμογή τάσης στην πύλη, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο που την φορτίζει. Αυτό το φορτίο παραμένει αποθηκευμένο κατά τη διάρκεια της εναλλαγής του IGBT από την κατάσταση αποκοπής στην κατάσταση αγωγής. Η πύλη, συνεπώς, λειτουργεί ως πυκνωτής, αποθηκεύοντας φορτίο κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του IGBT και επηρεάζοντας τον έλεγχο του. Αυτός είναι και ο λόγος που το σχεδιαστικό σύμβολο του IGBT απεικονίζει έναν πυκνωτή στην θέση του gate ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζει και την ηλεκτρική απομόνωση του κυκλώματος της πύλης από το κύκλωμα ισχύος.



Ένα IGBT Half Bridge Module αποτελείται από έναν συνδυασμό δύο IGBT που συνδέονται σε σχήμα «μισής γέφυρας», επιτρέποντας τον έλεγχο της ηλεκτρικής ισχύος σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή απόδοση και αξιοπιστία. Συχνά, όπως και στις περιπτώσεις που μελετάμε τώρα στο module εμπεριέχονται και ανάστροφες δίοδοι οι οποίες τοποθετούνται για να προστατεύσουν τα IGBT από ενδεχόμενα ανάστροφα ρεύματα, κάτι πολύ συχνό σε εφαρμογές ισχύος.

 

 

Μια από τις βασικές εφαρμογές του IGBT Half Bridge Module είναι στους μετατροπείς ισχύος. Αυτοί (Ανορθωτές, Inverters, Choppers κα) αναλαμβάνουν τον ρόλο της μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας από μια μορφή σε μια άλλη, είτε πρόκειται για αλλαγή της τάσης, του ρεύματος ή και των δύο. Συγκεκριμένα, το IGBT Half Bridge Module είναι καίριο για την αποδοτική μετατροπή συνεχούς ρεύματος (DC) σε εναλλασσόμενο (AC) ή και αντίστροφα. Αυτή η δυνατότητα μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος επιτρέπει τη χρήση του σε εφαρμογές όπως inverters, φορτιστές μπαταριών και σε άλλες συσκευές που απαιτούν σταθερή και ελεγχόμενη τάση ή ρεύμα.

Κάποια από τα βασικά πλεονεκτήματα αυτών των module σε σχέση με τα παραδοσιακά IGBT transistors είναι:

• Αποτελεσματική Μετατροπή Ισχύος: Το σχήμα Half Bridge επιτρέπει αποτελεσματική μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας. Η χρήση δύο IGBT επιτρέπει τον πιο αποδοτικό έλεγχο της ισχύος και την ελαχιστοποίηση των απωλειών ενέργειας.

• Υψηλή Αξιοπιστία Λειτουργίας: Η δομή Half Bridge εξασφαλίζει υψηλή αξιοπιστία, καθώς η ανεξάρτητη διακοπή του κυκλώματος από κάθε μονάδα μειώνει τον κίνδυνο αποτυχίας και την πιθανότητα υπερθέρμανσης.

• Εύκολος Έλεγχος και Ρύθμιση: Η δομή του Half Bridge Module παρέχει εύκολο και ακριβή έλεγχο της ηλεκτρικής ισχύος, ενισχύοντας την ευελιξία και την προσαρμοστικότητα σε διάφορες εφαρμογές.

• Ανεξαρτησία Λειτουργίας Κάθε Μονάδας: Η ανεξάρτητη διακοπή του κυκλώματος από κάθε IGBT μονάδα εξασφαλίζει όχι μόνο την ασφαλή, αλλά και την αποτελεσματική λειτουργία του συνόλου του Half Bridge Module.

• Κατάλληλο για Υψηλές Απαιτήσεις: Η σύνθεση δύο IGBT σε σχήμα Half Bridge το καθιστά κατάλληλο για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή απόδοση, όπως μετατροπείς ισχύος και κινητήρες, όπου η ποιότητα και η αξιοπιστία είναι κρίσιμες.

• Θερμική ισορροπία: Ο ομοιόμορφος καταμερισμός της θερμότητας σε όλο το εξάρτημα ή το σύστημα είναι κρίσιμος καθώς πρόκειται για εξαρτήματα που μπορεί να αναπτύξουν υψηλή θερμοκρασία κατά τη λειτουργία τους. Η λάθος διαχείριση της θερμικής ενέργειας προκαλεί μείωση της απόδοσης, μείωση της διάρκειας ζωής του IGBT, ή ακόμη και αποτυχία.



Διαδικασία ελέγχου λειτουργίας IGBT module με πολύμετρο

Προειδοποίηση!
Ο στατικός ηλεκτρισμός μπορεί να επηρεάσει την ασφαλή λειτουργία των IGBT!
Πρέπει να αποφεύγεται η επαφή με τους ακροδέκτες του συστήματος χωρίς να υπάρχει εξασφάλιση απαλλαγής του τεχνικού από στατικό φορτίο. Κατά τη διάρκεια των ελέγχων η χρήση επιφάνειας εργασίας με αντιστατικές ιδιότητες μπορεί να βοηθήσει στη μείωση του στατικού φορτίου.
H διαδικασία ελέγχου ενός IGBT module ως προς την ορθή λειτουργία του μπορεί να πραγματοποιηθεί με ένα πολύμετρο ρυθμισμένο στην επιλογή ελέγχου διόδων. Το IGBT module πρέπει να είναι ηλεκτρικά απομονωμένο από κάθε άλλο κύκλωμα.

 

Πριν από οποιαδήποτε μέτρηση διασφαλίζουμε ότι οι πύλες (Gates) των IGBT είναι αποφορτισμένες. Όπως προαναφέρθηκε οι πύλες των IGBT αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο φερόμενες ως πυκνωτές. Το φορτίο αυτό είναι υπεύθυνο για την αλλαγή κατάστασης λειτουργίας του IGBT. Για την εκφόρτιση της εκάστοτε πύλης βραχυκυκλώνουμε τα δύο pin οδήγησης που την αφορούν. Για παράδειγμα βραχυκυκλώνοντας τα pin G1 & E1 της οδήγησης εξασφαλίζουμε το μηδενικό φορτίο στην πύλη 1.

 

1. Μέτρηση όλων των ακροδεκτών για πιθανή επαφή με την γείωση (κάτω μεταλλική επιφάνεια IGBT).
2. Αποφόρτιση των Gate1 & Gate2 βραχυκυκλώνοντας με τον ακροδέκτη όπως προαναφέρθηκε.
   
   Για οικονομία έκφρασης  στην συνέχεια θα αναφέρονται δύο ακροδέκτες προς έλεγχο. Ο πρώτος θα εξετάζεται με το κόκκινο prob του πολυμέτρου και ο δεύτερος με το μαύρο.
   
   
3. Gate 1 – E1 οδήγησης (φυσιολογική μέτρηση “OL”)
4. Αποφόρτιση του Gate 1.
5. Gate 2 – E2 οδήγησης (φυσιολογική μέτρηση “OL”)
6. Αποφόρτιση του Gate 2.
7. C1 – E1 ισχύος (φυσιολογική μέτρηση “OL”)
8. C2 – E2 ισχύος (φυσιολογική μέτρηση “OL”)
9. C1 – E2 ισχύος (φυσιολογική μέτρηση “OL”)
10. E1 ισχύος – C1 (φυσιολογική μέτρηση “0.393” ή παραπλήσια τιμή. Αυτή φανερώνει την σωστή λειτουργία της ανάστροφης διόδου).
11. Ε2 ισχύος – C2 (φυσιολογική μέτρηση “0.393” ή παραπλήσια)
12. Ε2 ισχύος – C1 (φυσιολογική μέτρηση “0.786” το άθροισμα των δύο παραπάνω)
13. Gate 1 - με όλες τις υπόλοιπες επαφές του module (φυσιολογική μέτρηση “OL”)
14. Αποφόρτιση Gate 1 & Gate 2.
15. Gate 2 - με όλες τις υπόλοιπες επαφές του module (φυσιολογική μέτρηση “OL”)
16. Αποφόρτιση Gate 1 & Gate 2.
17. Gate 1 – E1 οδήγησης (με αυτόν τον τρόπο φορτίζεται η πύλη 1)
18. C1 – E1 ισχύος (φυσιολογική μέτρηση “0.448” ή παρόμοια). Αγωγή του IGBT1
19. Αποφόρτιση του Gate 1.
20. C1 – E1 ισχύος (φυσιολογική μέτρηση “OL”). Το IGBT1 επανήλθε σε αποκοπή.
21. Gate 2 – E2 οδήγησης (με αυτόν τον τρόπο φορτίζεται η πύλη 2)
22. C2 – E2 ισχύος (φυσιολογική μέτρηση “0.448” ή παρόμοια). Αγωγή του IGBT2.
23. Αποφόρτιση του Gate 2.
24. C2 – E2 ισχύος (φυσιολογική μέτρηση “OL”). Το IGBT2 επανήλθε σε αποκοπή.

 

Εάν όλες οι παραπάνω μετρήσεις ολοκληρώθηκαν με επιτυχία το IGBT module λειτουργεί απολύτως φυσιολογικά!

 

Σε αντίθετη περίπτωση εάν έχει διαπιστωθεί κάποιος ακροδέκτης σε βραχυκύκλωμα με την γείωση, κάποιο βραχυκύκλωμα που δεν ανήκει στην συνδεσμολογία που αναφέρει ο κατασκευαστής, ή κάποια δυσλειτουργία σε ένα από τα παραπάνω βήματα τότε το IGBT module δεν λειτουργεί σωστά και είναι επικίνδυνο να τοποθετηθεί σε ηλεκτρονική διάταξη.

Με τον παραπάνω τρόπο ελέγχου η μόνη παράμετρος που δεν εξετάζεται είναι αυτή της ανοχής της σε τάση (Breakdown Voltage). Η τάση των ακροδεκτών του πολυμέτρου είναι περίπου 3V ενώ το IGBT module αναφέρει ανοχή σε εκατοντάδες Volt. Η ανοχή αυτή δεν μπορεί να εξεταστεί με πολύμετρο.