El IGBT es un tipo de dispositivo de potencia, que asume la función de conversión de energía y transmisión en el inversor de potencia. Es el corazón del inversor. Al mismo tiempo, el IGBT también es uno de los componentes menos confiables en el inversor de potencia. Es muy sensible a la temperatura, voltaje y corriente del dispositivo. En caso de incluso una ligera sobrecarga, se vuelve incompetente y no puede ser reparado. El daño al IGBT significa que el inversor debe ser reemplazado o revisado. Por lo tanto, el IGBT es el objeto clave de protección del inversor de potencia.
Lo anterior son los tres modos de falla del IGBT. La falla eléctrica es la más común, porque el IGBT asume la función de conversión de corriente y voltaje, y la frecuencia es muy alta. Un circuito principal del IGBT demasiado alto, un voltaje de conducción demasiado alto o un voltaje de pico externo demasiado alto pueden causar daños por sobretensión. Además, la sobrecarga o el cortocircuito del inversor de potencia pueden causar sobrecorriente. La segunda es la falla por temperatura. El IGBT genera mucho calor durante la operación. Si el calor no puede disiparse a tiempo, puede dañarse por sobrecalentamiento. La falla mecánica es probable que se genere en los procesos de fabricación, procesamiento, transporte e instalación. Tal condición es bastante rara.
1. Protección de conducción del IGBT
El IGBT en sí es un dispositivo de conmutación de corriente. Cuándo se enciende, cuándo se apaga, cuánto tiempo está encendido o apagado es controlado por la CPU del inversor. Sin embargo, el DSP emite una señal PWM, que tiene una velocidad rápida pero potencia insuficiente. La función principal del controlador es amplificar la señal PWM.
El IGBT controla una corriente de alta frecuencia muy alta, y genera una señal de interferencia electromagnética. Además, dado que el controlador está cerca del IGBT, el circuito de conducción debe tener una función de aislamiento. Actualmente, los esquemas de aislamiento de conducción incluyen el optoacoplador, fibra óptica, transformador de pulsos, acoplamiento magnético, entre otros. Las ventajas y desventajas de cada método son las siguientes:
2. Protección contra sobrecorriente / cortocircuito del IGBT
Al diseñar el IGBT, la corriente usualmente se da con un margen de más del 10%. Sin embargo, cuando el inversor de potencia está funcionando, debido al cortocircuito del componente y la carga, la falla del lado de la carga causa sobrecorriente, y el lado de la carga tiene una carga inductiva particularmente grande. Al arrancar y detener, habrá una corriente armónica alta. En este momento, la corriente de salida del inversor aumentará bruscamente, causando que la corriente operativa del IGBT aumente rápidamente. El cortocircuito del IGBT se divide en dos casos: La corriente directa ocurre en el brazo del puente del convertidor, lo que se llama cortocircuito tipo I. El punto de cortocircuito del convertidor ocurre en el lado de la carga, y la impedancia equivalente del cortocircuito es alta, lo que se llama cortocircuito tipo II. El cortocircuito tipo II generalmente puede considerarse como una sobrecorriente grave en el inversor. Cuando ocurre el cortocircuito, si no se toman las medidas relevantes, el IGBT entrará rápidamente en desaturación, y el consumo de energía transitorio excederá el límite y se dañará, porque el IGBT solo puede soportar la sobrecorriente por unos pocos microsegundos. Por lo tanto, cuando ocurre un cortocircuito, el IGBT debe apagarse lo antes posible, y la velocidad de apagado debe ser suave, para asegurar que la tasa de cambio de corriente esté dentro de un cierto rango, evitando así que el voltaje se corte demasiado rápido, causando que la tensión supere el límite y dañe el IGBT. El esquema de sujeción activa está provisto con la medida de respuesta rápida, que permite que el controlador del IGBT opere lo más rápido posible.
3. Protección contra sobretemperatura del IGBT
Cuando la temperatura ambiente del inversor de potencia es demasiado alta, o el inversor tiene una mala disipación de calor, el sobrecalentamiento continuo dañará el IGBT. Si el dispositivo continúa teniendo cortocircuitos, la potencia generada por la alta corriente causará un aumento de temperatura. Si la temperatura del chip excede la temperatura intrínseca del silicio (alrededor de 250 °C), el dispositivo perderá su capacidad de bloqueo, y el control de la puerta no estará protegido, resultando en la falla del IGBT. Se consideran principalmente dos aspectos en el diseño: Primero, fortalecer y mejorar la condición de disipación de calor del tubo IGBT, incluyendo el diseño del conducto de aire, diseño y producción del disipador de calor, y fortalecer la refrigeración, entre otros; segundo, diseñar un circuito de protección de detección de sobrecalentamiento, adoptando el termistor incorporado en el módulo IGBT para medir la temperatura de disipación del IGBT. Es muy preciso. Cuando la temperatura excede el valor establecido, el IGBT se apagará para detener su funcionamiento.
4. Protección contra fallas mecánicas del IGBT
Para facilitar la disipación de calor, el IGBT se conecta con tornillos y se monta en el radiador. La fuerza de conexión de este tornillo es muy particular, debe ser adecuada. Si la fuerza es demasiado fuerte, dañará el IGBT. Si la fuerza es demasiado ligera, durante el proceso de transporte e instalación, la vibración causará mal contacto, la resistencia térmica aumentará y el dispositivo sufrirá daños por sobretemperatura. Al instalar el IGBT, se utilizará un destornillador especial. Según el modelo de IGBT, se usa el torque correspondiente para asegurar que el IGBT esté firmemente conectado y no se dañe fácilmente.
Conclusión
El IGBT es el dispositivo más sensible y vulnerable en el inversor de potencia. Al mismo tiempo, también es el componente más caro y crítico en el inversor, y se deben tomar muchas medidas diferentes para protegerlo.
