Проверка силовых транзисторов

Когда говорят о проверке силовых транзисторов, многие сразу представляют мультиметр и прозвонку p-n переходов. Но это лишь вершина айсберга. В реальности, особенно с современными MOSFET или IGBT, такая поверхностная проверка может создать ложное ощущение исправности, а потом плата на стенде уходит в защиту или, что хуже, дымится. Сам через это проходил. Особенно коварны скрытые дефекты, проявляющиеся только под нагрузкой, при определенной температуре или частоте переключения. Вот об этом и хочется поговорить — о тех нюансах, которые редко пишут в мануалах, но которые приходится постигать на практике, иногда дорогой ценой.

Базовые методы и их ограничения

Начнем с классики. Прозвонка мультиметром в режиме диода — это первое, чему учат. Для биполярных транзисторов еще более-менее информативно. Берешь, проверяешь переходы база-эмиттер, база-коллектор, смотришь, нет ли КЗ. Но вот с полевыми транзисторами, особенно мощными MOSFET, уже начинаются танцы. Между стоком и истоком у исправного прибора в обе стороны должна быть бесконечное сопротивление (если не учитывать встроенный обратный диод). Но тут же первый подводный камень: мультиметр. Не каждый тестер может корректно открыть затвор у мощного MOSFET'а, чтобы проверить канал. Напряжение на щупах бывает недостаточным. Поэтому транзистор может казаться неисправным, хотя он цел. Приходилось сталкиваться, когда 'бракованная' партия после проверки на стенде с правильным драйвером оказывалась полностью рабочей.

А что насчет проверки на пробой? Казалось бы, все просто: если между любыми выводами короткое замыкание — в утиль. Но и здесь не все однозначно. Иногда пробой бывает 'мягким', непостоянным. Нагрел корпус паяльником — сопротивление появилось, остыл — снова КЗ. Такой дефект легко пропустить при холодной проверке. Особенно часто такое встречалось с дешевыми no-name компонентами, которые ставили в эконом-сегмент. Сейчас, работая с более надежными поставщиками, вроде OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий, таких сюрпризов стало меньше. У них, кстати, в ассортименте как раз есть и MOSFET, и IGBT, и биполярные транзисторы. На их сайте https://www.wfdz.ru видно, что компания делает упор на разработку технологических процессов, а это как раз про стабильность параметров и качество кристалла. Для проверки это важно — меньше 'плавающих' дефектов.

Еще один момент — проверка емкости затвора. Простой мультиметр ее не измерит. А ведь именно от этого параметра во многом зависит динамика переключения. Была история с инвертором, где постоянно горели ключи. Оказалось, в партии попались транзисторы с разбросом входной емкости (Ciss) в два раза от заявленной. Старый драйвер просто не успевал их полноценно открывать и закрывать, они уходили в линейный режим и перегревались. Проверка на КЗ их, естественно, не выявляла. Пришлось выборочно проверять на LCR-метре. После перехода на транзисторы от более строгих производителей, которые контролируют эти параметры на выходе (тут опять вспоминается профиль Ванфэн — 'разработка технологических процессов'), проблема ушла.

Проверка в динамике: без стенда никуда

Статическая проверка — это хорошо для отбраковки явного брака. Но настоящая проверка силового транзистора — это проверка в условиях, максимально приближенных к рабочим. То есть под нагрузкой, с реальным драйвером, на реальной частоте. Здесь уже нужен хотя бы простейший стенд. Мы, например, часто собираем схему одиночного ключа на макетке, цепляем к нему нашу систему управления, а в качестве нагрузки — мощный резистор или лампу накаливания. И смотрим осциллографом все: фронты напряжения на стоке-истоке, форму сигнала на затворе, наличие выбросов.

Именно на этом этапе вылазят самые интересные артефакты. Например, паразитные колебания на затворе. Транзистор вроде исправен, но из-за неправильной разводки или плохого выбора резистора в затворе возникают колебания в десятки мегагерц. Это ведет к повышенным потерям на переключение и риску ложного открытия. На глаз, без осциллографа, такой дефект не увидишь, а транзистор будет греться сверх нормы. Проверка тут превращается в отладку всей силовой цепи.

Еще один критичный параметр, который проверяется только в динамике, — это время восстановления обратного диода (для MOSFET) или время выключения (для IGBT). Если диод медленный, а схема работает на высокой частоте, потери будут колоссальными. Мы как-то попались на этом, используя транзисторы из непонятной партии. В статике — идеально. На стенде на низкой частоте — нормально. А при выходе на рабочие 50 кГц КПД блока питания просел на 15%. Пришлось искать причину и вскрывать проблему именно через анализ динамических характеристик. Теперь при выборе компонентов обращаем внимание на производителей, которые дают полные и, что важно, проверяемые datasheet'ы с графиками зависимостей. У того же Ванфэн в номенклатуре есть диоды быстрого восстановления и MOSFET — для них эти параметры ключевые, и, судя по их заявленной специализации, они должны их контролировать на уровне процесса.

Тепловой режим и его влияние на диагностику

Часто неисправность проявляется только при нагреве. Поэтому полноценная проверка силовых транзисторов должна включать и тепловые испытания. Самый простой способ — прогреть феном или дать поработать под нагрузкой несколько минут, а затем снять ВАХ. Пороговая характеристика может уйти, сопротивление канала — вырасти. Особенно это актуально для устройств, которые уже поработали в тяжелых условиях или имеют скрытый заводской дефект.

Помню случай с ремонтом промышленного частотника. Транзисторы в плече моста проверялись 'на холодную' — все в норме. Собрали, запустили на холостом ходу — работает. Дали нагрузку — через 10 минут уходит в защиту по току. Оказалось, у одного IGBT при нагреве до 70°C начинал 'плыть' порог открытия, и он переставал полноценно открываться, входя в линейный режим с огромными потерями. Выявили это, прогревая каждый транзистор по отдельности на термостоле и снимая параметры. После замены на новые от проверенного поставщика (в таких случаях уже не экономим и берем у тех, кто гарантирует стабильность, например, рассматриваем продукцию от OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий) проблема исчезла.

Сюда же относится и проверка теплового сопротивления переход-корпус. Но это уже для совсем глубокого анализа. Если транзистор постоянно перегревается при, казалось бы, нормальных токах, возможно, проблема в плохой пайке (пустотах под подложкой) или в самом кристалле. Визуально это может быть не видно. Тут помогает тепловизор или, на худой конец, точечный пирометр. Нагрел его работой, замерил температуру корпуса в конкретной точке, прикинул разницу с температурой радиатора — и делаешь выводы о качестве монтажа или целостности внутренней структуры.

Инструментарий: от простого к сложному

Что должно быть на столе у человека, который регулярно занимается проверкой? Минимум — это хороший мультиметр с режимом проверки диодов и достаточно высоким напряжением на щупах. Желательно — аналоговый стрелочный, он иногда нагляднее цифрового показывает 'плывущие' параметры. Далее — LCR-метр. Без него сложно оценить входную емкость, что, как я уже говорил, критично для полевиков.

Но главный инструмент — осциллограф. Желательно двухканальный, с полосой хотя бы 100 МГц, чтобы видеть фронты и возможные помехи. Без него проверка в динамике слепа. И, конечно, набор пассивных компонентов и макетных плат для быстрой сборки тестовых стендов. У нас, например, есть несколько заготовок под разные корпуса (TO-220, TO-247, D2Pak), чтобы быстро впаять подозрительный экземпляр и прогнать его по полной программе.

Из специфического оборудования — это анализатор кривых (curve tracer). Вещь дорогая, но для углубленного анализа незаменимая. Он строит выходные и передаточные характеристики, сразу показывая, не сместился ли рабочий пункт, не деградировал ли кристалл. Для сервисных центров, работающих с высоконадежной аппаратурой, это может быть оправдано. Для большинства же ремонтных случаев хватает осциллографа и нагрузки. Кстати, о нагрузке: удобно иметь набор мощных резисторов с воздушным охлаждением или активную электронную нагрузку, которую можно настроить на постоянный ток или постоянную мощность.

Заключительные мысли и типичные ошибки

Главная ошибка — поспешность и излишняя уверенность. 'Прозвонился — значит, рабочий'. Нет. Транзистор, особенно силовой, — это сложное устройство, и его состояние определяется десятком параметров. Вторая ошибка — игнорирование условий, в которых он работал. Если устройство попало под перегрузку или короткое замыкание, проверять нужно не только силовые ключи, но и драйверы, и цепи датчиков. Часто транзистор выходит из строя вторично, из-за того, что его 'убил' неисправный драйвер. Заменил транзистор, не проверив драйвер, — и через секунду получил новый выстрел.

Еще один момент — это работа с пайкой. При проверке и замене важно не перегреть компонент. Даже исправный транзистор можно убить неаккуратным паяльником, повредив кристалл или внутренние соединения. Особенно это касается SMD-компонентов. Всегда нужно следовать рекомендациям по температурному профилю, если есть такая возможность.

В итоге, проверка силовых транзисторов — это не алгоритм из трех шагов, а целая диагностическая философия. Она требует понимания физики работы прибора, умения интерпретировать данные не только с прибора, но и с осциллографа, и, что немаловажно, определенной интуиции, которая нарабатывается с опытом. И этот опыт часто состоит из сгоревших плат и потраченных часов на поиск коварного дефекта. Но именно он и позволяет в итоге говорить не 'я его прозвонил', а 'я его проверил под нагрузкой, на всех режимах, и он стабилен'. И для такой уверенности важно иметь дело с компонентами, в качестве которых ты уверен — будь то от известного глобального бренда или от специализированного производителя вроде OOO Нантун Ванфэн, который фокусируется на глубокой проработке технологий, а не просто на сборке.