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逆變器核心部件IGBT介紹,機械故障保護

欄目:電源知識 發(fā)布時間: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,因為IGBT承擔(dān)電流電壓轉(zhuǎn)換的功能,而且頻率很高。IGBT主電路過高、驅(qū)動電壓過高或外部尖峰電壓過高都可能導(dǎo)致過壓損壞。

  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?。它是逆變器的心臟。同時,IGBT也是功率逆變器中最不可靠的元件之一。它對器件的溫度、電壓和電流非常敏感。稍有超出,就會變得無能,無法修復(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保護對象。

  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,因為IGBT承擔(dān)電流電壓轉(zhuǎn)換的功能,而且頻率很高。IGBT主電路過高、驅(qū)動電壓過高或外部尖峰電壓過高都可能導(dǎo)致過壓損壞。此外,逆變器的過載或短路 可能會導(dǎo)致過電流。二是溫度故障。IGBT 在運行過程中會產(chǎn)生大量熱量。如果熱量不能及時散去,可能會因過熱而損壞。機械故障很可能發(fā)生在制造、加工、運輸和安裝過程中。這種情況非常罕見。

  1. IGBT驅(qū)動保護

  IGBT本身是電流開關(guān)器件。何時開啟、何時關(guān)閉、開啟或關(guān)閉多長時間由變頻器的 CPU 控制。但是DSP輸出的是PWM信號,速度快但功率不夠。驅(qū)動器的主要功能是放大 PWM 信號。

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

  2. IGBT過流/短路保護

  在設(shè)計 IGBT 時,通常給電流留出 10% 以上的裕量。但在逆變器工作時,由于元件與負載短路,負載側(cè)故障導(dǎo)致過流,負載側(cè)有特別大的感性負載。啟停時會有高次諧波電流。此時逆變器輸出電流會急劇上升,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,稱為I型短路。轉(zhuǎn)換器的短路點發(fā)生在負載側(cè),等效短路阻抗高,稱為II型短路。II型短路一般可以認為是逆變器中的嚴重過電流。當短路發(fā)生時,如果不采取相關(guān)措施,IGBT會迅速進入去飽和狀態(tài),瞬態(tài)功耗會超過極限而損壞,因為IGBT只能維持幾微秒的過電流。



  因此,當發(fā)生短路時,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)動器能夠盡快運行。當短路發(fā)生時,如果不采取相關(guān)措施,IGBT會迅速進入去飽和狀態(tài),瞬態(tài)功耗會超過極限而損壞,因為IGBT只能維持幾微秒的過電流。因此,當發(fā)生短路時,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)動器能夠盡快運行。當短路發(fā)生時,如果不采取相關(guān)措施,IGBT會迅速進入去飽和狀態(tài),瞬態(tài)功耗會超過極限而損壞,因為IGBT只能維持幾微秒的過電流。因此,當發(fā)生短路時,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)動器能夠盡快運行。

  并且瞬態(tài)功耗會超過極限而損壞,因為IGBT只能承受過電流只有幾微秒。因此,當發(fā)生短路時,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)動器能夠盡快運行。并且瞬態(tài)功耗會超過極限而損壞,因為IGBT只能承受過電流只有幾微秒。因此,當發(fā)生短路時,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)動器能夠盡快運行。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)動器能夠盡快運行。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)動器能夠盡快運行。

  3. IGBT過溫保護

  當功率逆變器環(huán)境溫度過高,或逆變器散熱不良時,持續(xù)過熱會損壞IGBT。如果設(shè)備繼續(xù)短路,大電流產(chǎn)生的功率會導(dǎo)致溫度升高。如果芯片溫度超過硅本征溫度(約250℃),器件將失去阻斷能力,門控將得不到保護,導(dǎo)致IGBT失效。設(shè)計主要考慮兩個方面:一是加強和改善IGBT管的散熱條件,包括風(fēng)道設(shè)計、散熱片設(shè)計制作、加強制冷等;二、設(shè)計過熱檢測保護電路,采用IGBT模塊內(nèi)置熱敏電阻測量IGBT散熱溫度。這是非常準確的。當溫度超過設(shè)定值時,IGBT將關(guān)斷,停止工作。

  4. IGBT機械故障保護

  為便于散熱,IGBT采用螺釘連接,安裝在散熱器上。這個螺絲的連接強度很講究,應(yīng)該合適。如果用力過大,會損壞 IGBT。如果用力過輕,在運輸和安裝過程中,振動會導(dǎo)致接觸不良,熱阻增大,器件會出現(xiàn)過溫損壞。在安裝 IGBT 時,將使用專用螺絲刀。根據(jù) IGBT 型號,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,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措施。

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