IGBT - المكون الأساسي لمحول الطاقة

IGBT هو نوع من أجهزة الطاقة، التي تقوم بوظيفة تحويل الطاقة ونقلها في العاكس الكهربائي. إنه قلب العاكس. في نفس الوقت، يعتبر IGBT أيضًا واحدًا من أكثر المكونات غير الموثوقة في العاكس الكهربائي. إنه حساس جدًا لدرجة الحرارة، والجهد، والتيار للجهاز. في حالة تجاوز طفيف حتى، يصبح غير كفء ولا يمكن إصلاحه. يعني تلف IGBT أنه يجب استبدال العاكس أو إجراء صيانة شاملة له. لذلك، يعتبر IGBT هو الهدف الرئيسي للحماية في العاكس الكهربائي.

الأعلاه هو أوضاع الفشل الثلاثة لـ IGBT. العطل الكهربائي هو الأكثر شيوعًا، لأن IGBT يقوم بوظيفة تحويل التيار والجهد، وتكون الترددات عالية جدًا. قد يتسبب جهد الدائرة الرئيسية لـ IGBT المرتفع جدًا، أو جهد القيادة المرتفع جدًا، أو جهد الذبذبة الخارجي المرتفع جدًا في تلف بسبب زيادة الجهد. بالإضافة إلى ذلك، قد يتسبب الحمل الزائد أو الدائرة القصيرة في محول الطاقة في زيادة التيار. الثاني هو عطل درجة الحرارة. يولد IGBT الكثير من الحرارة أثناء التشغيل. إذا لم يتم تبديد الحرارة في الوقت المناسب، فقد يتعرض للتلف بسبب ارتفاع درجة الحرارة. من المحتمل أن يحدث الفشل الميكانيكي في عمليات التصنيع أو المعالجة أو النقل أو التركيب. مثل هذه الحالة نادرة جدًا.

1. حماية محرك IGBT
"الـ IGBT نفسه هو جهاز تحويل تيار. متى يتم تشغيله، ومتى يتم إيقافه، ومدة تشغيله أو إيقافه يتم التحكم فيها بواسطة وحدة المعالجة المركزية للعاكس. ومع ذلك، فإن الـ DSP يخرج إشارة PWM، التي تتميز بسرعة عالية ولكن طاقة غير كافية. الوظيفة الرئيسية للسائق هي تضخيم إشارة PWM."

"الـ IGBT يتحكم في تيار عالي التردد جداً، ويولد إشارة التداخل الكهرومغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك، بما أن السائق قريب من الـ IGBT، يجب أن تحتوي دائرة القيادة على وظيفة العزل. في الوقت الحالي، تشمل مخططات العزل في القيادة على العوازل الضوئية، الألياف الضوئية، المحولات النبضية، الاقتران المغناطيسي وما إلى ذلك. مزايا وعيوب كل طريقة هي كما يلي:"

2. حماية من زيادة التيار / دائرة قصر IGBT
عند تصميم IGBT، يتم عادةً منح التيار هامشًا يزيد عن 10%. ومع ذلك، عندما يعمل العاكس الكهربائي، بسبب قصر الدائرة للمكون والحمل، يتسبب عطل جانب الحمل في زيادة التيار، ويكون لدى جانب الحمل حمل حثي كبير بشكل خاص. عند بدء التشغيل وإيقافه، سيكون هناك تيار توافقي عالي. في هذا الوقت، سيرتفع تيار خرج العاكس بشكل حاد، مما يتسبب في ارتفاع تيار التشغيل لـ IGBT بشكل حاد. يتم تقسيم قصر دائرة IGBT إلى حالتين: يحدث التيار المستمر في ذراع الجسر للمحول، والذي يُسمى قصر الدائرة من النوع الأول. يحدث نقطة القصر في المحول على جانب الحمل، وتكون مقاومة القصر المعادلة عالية، والتي تُسمى قصر الدائرة من النوع الثاني. يمكن اعتبار قصر الدائرة من النوع الثاني عمومًا كزيادة خطيرة في التيار في العاكس. عندما يحدث قصر الدائرة، إذا لم يتم اتخاذ التدابير ذات الصلة، سيدخل IGBT بسرعة في حالة عدم التشبع، وستتجاوز استهلاك الطاقة العابر الحد وتتعرض للتلف، لأن IGBT يمكنه تحمل التيار الزائد لبضع ميكروثوانٍ فقط. لذلك، عندما يحدث قصر الدائرة، يجب إيقاف تشغيل IGBT في أقرب وقت ممكن، ويجب أن تكون سرعة الإيقاف لطيفة، لضمان أن معدل تغيير التيار ضمن نطاق معين، وبالتالي تجنب قطع الجهد بسرعة كبيرة، مما يتسبب في تجاوز إجهاد الجهد للحد وتلف IGBT. يتم توفير مخطط التثبيت النشط مع تدبير الاستجابة السريعة، مما يمكّن سائق IGBT من العمل بأسرع ما يمكن.

3. حماية من ارتفاع درجة حرارة IGBT
عندما تكون درجة حرارة البيئة لمحول الطاقة مرتفعة جدًا، أو إذا كان المحول يعاني من ضعف في تبديد الحرارة، فإن ارتفاع درجة الحرارة المستمر سيتسبب في تلف IGBT. إذا استمر الجهاز في حدوث دائرة قصيرة، فإن الطاقة الناتجة عن التيار العالي ستسبب ارتفاعًا في درجة الحرارة. إذا تجاوزت درجة حرارة الشريحة درجة الحرارة الجوهرية للسيليكون (حوالي 250 درجة مئوية)، سيفقد الجهاز قدرته على الحجب، ولن تكون هناك حماية للتحكم في البوابة، مما يؤدي إلى فشل IGBT. يتم النظر في جانبين بشكل رئيسي في التصميم: أولاً، تعزيز وتحسين حالة تبديد الحرارة لأنبوب IGBT، بما في ذلك تصميم مجرى الهواء، وتصميم وإنتاج المبرد، وتعزيز التبريد وما إلى ذلك؛ ثانيًا، تصميم دائرة حماية للكشف عن ارتفاع درجة الحرارة، واعتماد الثرمستور المدمج في وحدة IGBT لقياس درجة حرارة تبديد حرارة IGBT. إنها دقيقة جدًا. عندما تتجاوز درجة الحرارة القيمة المحددة، سيتم إيقاف تشغيل IGBT لوقف العمل.

4. حماية من فشل الميكانيكي للـ IGBT
لتسهيل تبديد الحرارة، يتم توصيل IGBT بواسطة براغي وتركيبه على المبرد. قوة الاتصال لهذه البراغي خاصة جداً، ويجب أن تكون مناسبة. إذا كانت القوة قوية جداً، فسوف تتلف IGBT. إذا كانت القوة خفيفة جداً، خلال عملية النقل والتركيب، ستسبب الاهتزازات اتصالاً ضعيفاً، مما يزيد من المقاومة الحرارية، وسيؤدي ذلك إلى تلف الجهاز بسبب ارتفاع درجة الحرارة. عند تركيب IGBT، سيتم استخدام مفك براغي خاص. وفقاً لطراز IGBT، يتم استخدام العزم المناسب لضمان أن يكون IGBT متصلاً بإحكام ولا يتعرض للتلف بسهولة.

خاتمة
IGBT هو أكثر الأجهزة حساسية وعرضة للخطر في العاكس الكهربائي. في نفس الوقت، هو أيضًا المكون الأكثر تكلفة وحيوية في العاكس، ويجب اتخاذ العديد من التدابير المختلفة لحمايته.