الـ IGBT هو نوع من أجهزة الطاقة، يقوم بوظيفة تحويل الطاقة ونقلها في العاكس الكهربائي. إنه قلب العاكس. في الوقت نفسه، يُعتبر الـ IGBT أيضًا من أكثر المكونات غير الموثوقة في العاكس الكهربائي. فهو حساس جدًا لدرجة حرارة الجهاز، والجهد، والتيار. في حال تجاوز الحد حتى ولو بشكل طفيف، يصبح غير صالح للعمل ولا يمكن إصلاحه. تلف الـ IGBT يعني ضرورة استبدال العاكس أو صيانته بالكامل. لذلك، يُعد الـ IGBT هو الهدف الرئيسي للحماية في العاكس الكهربائي.
ما سبق هو ثلاثة أوضاع لفشل الـ IGBT. العطل الكهربائي هو الأكثر شيوعًا، لأن الـ IGBT يقوم بوظيفة تحويل التيار والجهد، وتكون الترددات عالية جدًا. قد يتسبب التيار العالي جدًا في الدائرة الرئيسية للـ IGBT، أو جهد القيادة العالي جدًا، أو جهد النبضة الخارجي العالي جدًا في تلف بسبب زيادة الجهد. بالإضافة إلى ذلك، قد يتسبب التحميل الزائد أو الدائرة القصيرة في العاكس الكهربائي في زيادة التيار. ثانيًا هو عطل درجة الحرارة. يولد الـ IGBT حرارة كبيرة أثناء التشغيل. إذا لم يتم تبديد هذه الحرارة في الوقت المناسب، فقد يتعرض للتلف بسبب ارتفاع درجة الحرارة. أما العطل الميكانيكي فمن المحتمل أن يحدث أثناء التصنيع أو المعالجة أو النقل أو التركيب. وهذه الحالة نادرة جدًا.
1. حماية قيادة الـ IGBT
الـ IGBT نفسه هو جهاز تبديل للتيار. متى يتم تشغيله، ومتى يتم إيقافه، ومدة تشغيله أو إيقافه يتم التحكم بها بواسطة وحدة المعالجة المركزية للعاكس. ومع ذلك، يخرج الـ DSP إشارة PWM، وهي سريعة ولكن طاقتها غير كافية. الوظيفة الرئيسية للسائق هي تضخيم إشارة PWM.
الـ IGBT يتحكم في تيار عالي التردد جدًا، وينتج إشارة تداخل كهرومغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن دائرة القيادة قريبة من الـ IGBT، يجب أن تحتوي دائرة القيادة على وظيفة العزل. حاليًا، تشمل مخططات العزل في القيادة الأوبتو كابلر، الألياف البصرية، محول النبضات، الاقتران المغناطيسي وغيرها. مزايا وعيوب كل طريقة هي كما يلي:
2. حماية الـ IGBT من زيادة التيار / الدائرة القصيرة
عند تصميم الـ IGBT، يُعطى التيار عادة هامش أكثر من 10%. ولكن عند عمل العاكس، بسبب دائرة قصيرة في المكون أو الحمل، يتسبب عطل في جانب الحمل في زيادة التيار، ويوجد حمل حثي كبير بشكل خاص على جانب الحمل. عند بدء التشغيل والإيقاف، سيكون هناك تيار توافقي عالي. في هذه الحالة، سيرتفع تيار خرج العاكس بشكل حاد، مما يؤدي إلى ارتفاع تيار تشغيل الـ IGBT بشكل حاد. تنقسم الدائرة القصيرة للـ IGBT إلى حالتين: التيار المار في ذراع الجسر للمحول، ويسمى الدائرة القصيرة من النوع الأول. ونقطة الدائرة القصيرة للمحول تحدث على جانب الحمل، والممانعة المكافئة للدائرة القصيرة عالية، ويسمى الدائرة القصيرة من النوع الثاني. يمكن اعتبار الدائرة القصيرة من النوع الثاني عادة زيادة تيار خطيرة في العاكس. عند حدوث الدائرة القصيرة، إذا لم تُتخذ الإجراءات المناسبة، سيدخل الـ IGBT بسرعة في حالة التشبع، وستتجاوز الطاقة العابرة الحد وتتلف، لأن الـ IGBT يمكنه تحمل التيار الزائد لبضع ميكروثوانٍ فقط. لذلك، عند حدوث دائرة قصيرة، يجب إيقاف تشغيل الـ IGBT بأسرع وقت ممكن، ويجب أن تكون سرعة الإيقاف لطيفة لضمان أن معدل تغير التيار ضمن نطاق معين، مما يتجنب قطع الجهد بسرعة كبيرة، مما يسبب إجهاد جهد يتجاوز الحد ويتلف الـ IGBT. يوفر نظام التثبيت النشط إجراء استجابة سريعة، مما يمكّن سائق الـ IGBT من العمل بأسرع ما يمكن.
3. حماية الـ IGBT من ارتفاع درجة الحرارة
عندما تكون درجة حرارة البيئة المحيطة بالعاكس مرتفعة جدًا، أو يكون العاكس ذو تبريد ضعيف، فإن السخونة المستمرة ستتلف الـ IGBT. إذا استمر الجهاز في وجود دائرة قصيرة، فإن الطاقة الناتجة عن التيار العالي ستسبب ارتفاع درجة الحرارة. إذا تجاوزت درجة حرارة الشريحة درجة حرارة السيليكون الجوهرية (حوالي 250 درجة مئوية)، سيفقد الجهاز قدرته على الحجب، ولن تحمي السيطرة على البوابة، مما يؤدي إلى فشل الـ IGBT. يتم النظر في جانبين رئيسيين في التصميم: أولاً، تعزيز وتحسين ظروف تبديد الحرارة لأنبوب الـ IGBT، بما في ذلك تصميم مجرى الهواء، وتصميم وتصنيع المشتت الحراري، وتعزيز التبريد، وما إلى ذلك؛ ثانيًا، تصميم دائرة حماية للكشف عن ارتفاع الحرارة، باستخدام الثرمستور المدمج في وحدة الـ IGBT لقياس درجة حرارة تبديد الحرارة للـ IGBT. وهو دقيق جدًا. عندما تتجاوز درجة الحرارة القيمة المحددة، يتم إيقاف تشغيل الـ IGBT ليتوقف عن العمل.
4. حماية الـ IGBT من الأعطال الميكانيكية
لتسهيل تبديد الحرارة، يتم توصيل الـ IGBT بواسطة براغي وتركيبه على المشتت الحراري. قوة ربط هذه البراغي مهمة جدًا ويجب أن تكون مناسبة. إذا كانت القوة كبيرة جدًا، ستتلف الـ IGBT. وإذا كانت القوة خفيفة جدًا، أثناء النقل والتركيب، قد يتسبب الاهتزاز في سوء الاتصال، مما يزيد المقاومة الحرارية، ويتسبب في تلف الجهاز بسبب ارتفاع درجة الحرارة. عند تركيب الـ IGBT، يُستخدم مفك براغي خاص. وبحسب نموذج الـ IGBT، يُستخدم عزم الدوران المناسب لضمان تثبيت الـ IGBT بإحكام وعدم تلفه بسهولة.
الخلاصة
الـ IGBT هو الجهاز الأكثر حساسية وعرضة للتلف في العاكس الكهربائي. في الوقت نفسه، هو أيضًا المكون الأغلى والأكثر أهمية في العاكس، ويجب اتخاذ العديد من الإجراءات المختلفة لحمايته.
