IGBT ist eine Art Leistungshalbleiter, der die Funktion der Leistungsumwandlung und Energieübertragung im Wechselrichter übernimmt. Er ist das Herzstück des Wechselrichters. Gleichzeitig ist der IGBT auch eine der unzuverlässigsten Komponenten im Wechselrichter. Er ist sehr empfindlich gegenüber Temperatur, Spannung und Strom des Geräts. Bereits eine geringfügige Überschreitung dieser Werte führt dazu, dass er versagt und nicht repariert werden kann. Ein IGBT-Schaden bedeutet, dass der Wechselrichter ersetzt oder überholt werden muss. Daher ist der IGBT das wichtigste Schutzobjekt des Wechselrichters.
Oben sind die drei Ausfallarten des IGBT beschrieben. Elektrische Fehler sind am häufigsten, da der IGBT die Funktion der Strom- und Spannungsumwandlung übernimmt und mit sehr hoher Frequenz arbeitet. Ein zu hoher Hauptstromkreis des IGBT, eine zu hohe Ansteuerspannung oder eine zu hohe externe Überspannung können zu Überspannungsschäden führen. Außerdem können Überlast oder Kurzschluss des Wechselrichters Überstrom verursachen. Die zweite Fehlerart ist der Temperaturfehler. Der IGBT erzeugt während des Betriebs viel Wärme. Wenn diese nicht rechtzeitig abgeführt wird, kann es durch Überhitzung beschädigt werden. Mechanische Fehler entstehen meist bei der Herstellung, Verarbeitung, dem Transport oder der Installation. Solche Fehler sind jedoch sehr selten.
1. IGBT-Ansteuerschutz
Der IGBT selbst ist ein Stromschaltbauelement. Wann er ein- oder ausgeschaltet wird und wie lange er an- oder aus ist, wird von der CPU des Wechselrichters gesteuert. Der DSP gibt jedoch ein PWM-Signal aus, das zwar schnell, aber leistungsschwach ist. Die Hauptfunktion des Treibers ist es, das PWM-Signal zu verstärken.
Der IGBT steuert einen sehr hohen Hochfrequenzstrom und erzeugt elektromagnetische Störsignale. Da der Treiber nahe am IGBT sitzt, muss die Ansteuerschaltung eine Isolationsfunktion besitzen. Aktuelle Isolationslösungen umfassen Optokoppler, Glasfaser, Impulstransformatoren, magnetische Kopplung und weitere. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden sind wie folgt:
2. IGBT-Überstrom- / Kurzschlussschutz
Beim Entwurf des IGBT wird der Strom üblicherweise mit einem Sicherheitszuschlag von über 10 % bemessen. Während des Betriebs des Wechselrichters können jedoch durch Kurzschluss von Bauteilen und Last Überströme auftreten, insbesondere bei stark induktiven Lasten auf der Lastseite. Beim Starten und Stoppen entstehen hohe Oberschwingungsströme. Dadurch steigt der Ausgangsstrom des Wechselrichters stark an, was den Betriebsstrom des IGBT stark erhöht. Der IGBT-Kurzschluss wird in zwei Fälle unterteilt: Der Durchstrom im Brückenarm des Umrichters wird als Typ-I-Kurzschluss bezeichnet. Der Kurzschluss auf der Lastseite des Umrichters mit hohem äquivalentem Kurzschlusswiderstand wird als Typ-II-Kurzschluss bezeichnet. Der Typ-II-Kurzschluss kann allgemein als schwerer Überstrom im Wechselrichter betrachtet werden. Tritt ein Kurzschluss auf und werden keine Gegenmaßnahmen ergriffen, gerät der IGBT schnell in die Entsättigung, die vorübergehende Verlustleistung überschreitet die Grenze und es kommt zu Schäden, da der IGBT Überströme nur wenige Mikrosekunden aushält. Daher sollte der IGBT bei Kurzschluss so schnell wie möglich abgeschaltet werden, wobei die Abschaltgeschwindigkeit sanft sein muss, um die Stromänderungsrate in einem bestimmten Bereich zu halten und so eine zu schnelle Spannungsänderung zu vermeiden, die zu Überspannungen und Schäden am IGBT führen könnte. Das aktive Klemmschaltungs-Konzept bietet eine schnelle Reaktionsmaßnahme, die den IGBT-Treiber so schnell wie möglich arbeiten lässt.
3. IGBT-Übertemperaturschutz
Wenn die Umgebungstemperatur des Wechselrichters zu hoch ist oder die Wärmeableitung unzureichend ist, kann eine dauerhafte Überhitzung den IGBT beschädigen. Bei anhaltendem Kurzschluss verursacht die hohe Stromstärke eine Temperaturerhöhung. Überschreitet die Chip-Temperatur die intrinsische Siliziumtemperatur (ca. 250 °C), verliert das Bauteil seine Sperrfähigkeit, die Gate-Steuerung wird nicht mehr geschützt, was zum Ausfall des IGBT führt. Beim Design werden zwei Aspekte berücksichtigt: Erstens die Verbesserung der Wärmeableitung des IGBT, einschließlich Luftkanal- und Kühlkörperdesign sowie Kühlmaßnahmen; zweitens die Auslegung einer Überhitzungserkennung, bei der der im IGBT-Modul integrierte Thermistor die Wärmeableitungstemperatur misst. Diese Messung ist sehr genau. Überschreitet die Temperatur den eingestellten Wert, wird der IGBT abgeschaltet.
4. Schutz vor mechanischen IGBT-Fehlern
Zur besseren Wärmeableitung wird der IGBT mit Schrauben am Kühlkörper befestigt. Die Anzugskraft dieser Schrauben ist sehr wichtig und muss angemessen sein. Ist die Kraft zu hoch, kann der IGBT beschädigt werden. Ist sie zu gering, kann es während Transport und Installation durch Vibrationen zu schlechtem Kontakt kommen, was den thermischen Widerstand erhöht und zu Überhitzungsschäden führt. Beim Einbau des IGBT wird ein spezieller Schraubendreher verwendet. Je nach IGBT-Modell wird das entsprechende Drehmoment angewendet, um eine feste Verbindung sicherzustellen, die den IGBT nicht beschädigt.
Fazit
Der IGBT ist das empfindlichste und anfälligste Bauteil im Wechselrichter. Gleichzeitig ist er die teuerste und wichtigste Komponente, weshalb verschiedene Schutzmaßnahmen zu seiner Sicherung getroffen werden müssen.
