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逆變器核心部件IGBT介紹,機(jī)械故障保護(hù)

欄目:電源知識(shí) 發(fā)布時(shí)間:2022-07-01
逆變器核心部件IGBT介紹
  以上就是IGBT失效的三種模式。電氣故障最為常見(jiàn),因?yàn)镮GBT承擔(dān)電流電壓轉(zhuǎn)換的功能,而且頻率很高。IGBT主電路過(guò)高、驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高或外部尖峰電壓過(guò)高都可能導(dǎo)致過(guò)壓損壞。

  IGBT是一種功率器件,在功率逆變器中承擔(dān)功率轉(zhuǎn)換和能量傳輸?shù)墓δ堋K悄孀兤鞯男呐K。同時(shí),IGBT也是功率逆變器中最不可靠的元件之一。它對(duì)器件的溫度、電壓和電流非常敏感。稍有超出,就會(huì)變得無(wú)能,無(wú)法修復(fù)。IGBT損壞意味著逆變器必須更換或大修。因此,IGBT是功率逆變器的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。

  逆變器核心部件IGBT介紹

  以上就是IGBT失效的三種模式。電氣故障最為常見(jiàn),因?yàn)镮GBT承擔(dān)電流電壓轉(zhuǎn)換的功能,而且頻率很高。IGBT主電路過(guò)高、驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高或外部尖峰電壓過(guò)高都可能導(dǎo)致過(guò)壓損壞。此外,逆變器的過(guò)載或短路 可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)電流。二是溫度故障。IGBT 在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。如果熱量不能及時(shí)散去,可能會(huì)因過(guò)熱而損壞。機(jī)械故障很可能發(fā)生在制造、加工、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中。這種情況非常罕見(jiàn)。

  1. IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)

  IGBT本身是電流開(kāi)關(guān)器件。何時(shí)開(kāi)啟、何時(shí)關(guān)閉、開(kāi)啟或關(guān)閉多長(zhǎng)時(shí)間由變頻器的 CPU 控制。但是DSP輸出的是PWM信號(hào),速度快但功率不夠。驅(qū)動(dòng)器的主要功能是放大 PWM 信號(hào)。

  IGBT 控制非常高的高頻電流,并產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)。此外,由于驅(qū)動(dòng)器靠近IGBT,驅(qū)動(dòng)電路必須具有隔離功能。目前驅(qū)動(dòng)隔離方案有光耦、光纖、脈沖變壓器、磁耦合等。每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

  2. IGBT過(guò)流/短路保護(hù)

  在設(shè)計(jì) IGBT 時(shí),通常給電流留出 10% 以上的裕量。但在逆變器工作時(shí),由于元件與負(fù)載短路,負(fù)載側(cè)故障導(dǎo)致過(guò)流,負(fù)載側(cè)有特別大的感性負(fù)載。啟停時(shí)會(huì)有高次諧波電流。此時(shí)逆變器輸出電流會(huì)急劇上升,導(dǎo)致IGBT的工作電流急劇上升。

  IGBT短路分為兩種情況: 直通電流發(fā)生在變流器橋臂中,稱(chēng)為I型短路。轉(zhuǎn)換器的短路點(diǎn)發(fā)生在負(fù)載側(cè),等效短路阻抗高,稱(chēng)為II型短路。II型短路一般可以認(rèn)為是逆變器中的嚴(yán)重過(guò)電流。當(dāng)短路發(fā)生時(shí),如果不采取相關(guān)措施,IGBT會(huì)迅速進(jìn)入去飽和狀態(tài),瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞,因?yàn)镮GBT只能維持幾微秒的過(guò)電流。



  因此,當(dāng)發(fā)生短路時(shí),應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT,關(guān)斷速度要平緩,以保證電流變化率在一定范圍內(nèi),從而避免電壓過(guò)低。切得太快,造成電壓應(yīng)力超限,損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施,使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。當(dāng)短路發(fā)生時(shí),如果不采取相關(guān)措施,IGBT會(huì)迅速進(jìn)入去飽和狀態(tài),瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞,因?yàn)镮GBT只能維持幾微秒的過(guò)電流。因此,當(dāng)發(fā)生短路時(shí),應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT,關(guān)斷速度要平緩,以保證電流變化率在一定范圍內(nèi),從而避免電壓過(guò)低。切得太快,造成電壓應(yīng)力超限,損壞IGBT。

  有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施,使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。當(dāng)短路發(fā)生時(shí),如果不采取相關(guān)措施,IGBT會(huì)迅速進(jìn)入去飽和狀態(tài),瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞,因?yàn)镮GBT只能維持幾微秒的過(guò)電流。因此,當(dāng)發(fā)生短路時(shí),應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT,關(guān)斷速度要平緩,以保證電流變化率在一定范圍內(nèi),從而避免電壓過(guò)低。切得太快,造成電壓應(yīng)力超限,損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施,使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。

  并且瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞,因?yàn)镮GBT只能承受過(guò)電流只有幾微秒。因此,當(dāng)發(fā)生短路時(shí),應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT,關(guān)斷速度要平緩,以保證電流變化率在一定范圍內(nèi),從而避免電壓過(guò)低。切得太快,造成電壓應(yīng)力超限,損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施,使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。并且瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞,因?yàn)镮GBT只能承受過(guò)電流只有幾微秒。因此,當(dāng)發(fā)生短路時(shí),應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT,關(guān)斷速度要平緩,以保證電流變化率在一定范圍內(nèi),從而避免電壓過(guò)低。切得太快,造成電壓應(yīng)力超限,損壞IGBT。

  有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施,使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。并且關(guān)斷速度要平緩,以保證電流變化率在一定范圍內(nèi),從而避免電壓切斷過(guò)快,造成電壓應(yīng)力超限,損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施,使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。并且關(guān)斷速度要平緩,以保證電流變化率在一定范圍內(nèi),從而避免電壓切斷過(guò)快,造成電壓應(yīng)力超限,損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施,使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。

  3. IGBT過(guò)溫保護(hù)

  當(dāng)功率逆變器環(huán)境溫度過(guò)高,或逆變器散熱不良時(shí),持續(xù)過(guò)熱會(huì)損壞IGBT。如果設(shè)備繼續(xù)短路,大電流產(chǎn)生的功率會(huì)導(dǎo)致溫度升高。如果芯片溫度超過(guò)硅本征溫度(約250℃),器件將失去阻斷能力,門(mén)控將得不到保護(hù),導(dǎo)致IGBT失效。設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)方面:一是加強(qiáng)和改善IGBT管的散熱條件,包括風(fēng)道設(shè)計(jì)、散熱片設(shè)計(jì)制作、加強(qiáng)制冷等;二、設(shè)計(jì)過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)電路,采用IGBT模塊內(nèi)置熱敏電阻測(cè)量IGBT散熱溫度。這是非常準(zhǔn)確的。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí),IGBT將關(guān)斷,停止工作。

  4. IGBT機(jī)械故障保護(hù)

  為便于散熱,IGBT采用螺釘連接,安裝在散熱器上。這個(gè)螺絲的連接強(qiáng)度很講究,應(yīng)該合適。如果用力過(guò)大,會(huì)損壞 IGBT。如果用力過(guò)輕,在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中,振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接觸不良,熱阻增大,器件會(huì)出現(xiàn)過(guò)溫?fù)p壞。在安裝 IGBT 時(shí),將使用專(zhuān)用螺絲刀。根據(jù) IGBT 型號(hào),采用相應(yīng)的扭矩,保證 IGBT 連接牢固,不易損壞。

  結(jié)論

  IGBT 是功率逆變器中最敏感、最脆弱的器件。同時(shí),它也是逆變器中最昂貴、最關(guān)鍵的部件,需要采取多種不同的保護(hù)措施。

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