IGBT to rodzaj urządzenia mocy, które pełni funkcję konwersji mocy i przesyłu energii w falowniku. Jest sercem falownika. Jednocześnie IGBT jest również jednym z najmniej niezawodnych elementów w falowniku mocy. Jest bardzo wrażliwy na temperaturę, napięcie i prąd urządzenia. Nawet niewielkie przekroczenie tych parametrów powoduje jego uszkodzenie i niemożność naprawy. Uszkodzenie IGBT oznacza konieczność wymiany lub remontu falownika. Dlatego IGBT jest kluczowym obiektem ochrony falownika mocy.
Powyżej przedstawiono trzy tryby awarii IGBT. Najczęstszą jest awaria elektryczna, ponieważ IGBT pełni funkcję konwersji prądu i napięcia, a częstotliwość pracy jest bardzo wysoka. Zbyt wysokie napięcie w głównym obwodzie IGBT, zbyt wysokie napięcie sterujące lub zbyt wysokie zewnętrzne impulsy napięciowe mogą spowodować uszkodzenie przez przepięcie. Ponadto przeciążenie lub zwarcie falownika mocy może spowodować nadprąd. Drugim jest awaria termiczna. IGBT generuje dużo ciepła podczas pracy. Jeśli ciepło nie jest odprowadzane na czas, może dojść do uszkodzenia przez przegrzanie. Awaria mechaniczna może powstać podczas produkcji, obróbki, transportu i montażu. Takie przypadki są jednak dość rzadkie.
1. Ochrona sterowania IGBT
IGBT jest urządzeniem przełączającym prąd. Kiedy jest włączany, kiedy wyłączany i jak długo pozostaje włączony lub wyłączony, kontroluje CPU falownika. Jednak DSP generuje sygnał PWM, który ma dużą szybkość, ale niewystarczającą moc. Główną funkcją sterownika jest wzmocnienie sygnału PWM.
IGBT steruje bardzo wysokim prądem o wysokiej częstotliwości, co generuje sygnały zakłóceń elektromagnetycznych. Ponadto, ponieważ sterownik jest blisko IGBT, obwód sterujący musi mieć funkcję izolacji. Obecnie stosowane schematy izolacji sterowania to optoizolator, światłowód, transformator impulsowy, sprzężenie magnetyczne i inne. Zalety i wady każdej metody są następujące:
2. Ochrona IGBT przed nadprądem / zwarciem
Projektując IGBT, zwykle przewiduje się margines prądu powyżej 10%. Jednak podczas pracy falownika, z powodu zwarcia elementu lub obciążenia, awaria po stronie obciążenia powoduje nadprąd, a po stronie obciążenia może występować szczególnie duże obciążenie indukcyjne. Podczas rozruchu i zatrzymania pojawia się wysoki prąd harmoniczny. W tym czasie prąd wyjściowy falownika gwałtownie wzrasta, powodując gwałtowny wzrost prądu roboczego IGBT. Zwarcie IGBT dzieli się na dwa przypadki: Prąd przepływa przez ramię mostka przetwornika, co nazywa się zwarciem typu I. Punkt zwarcia przetwornika występuje po stronie obciążenia, a równoważna impedancja zwarcia jest wysoka, co nazywa się zwarciem typu II. Zwarcie typu II można ogólnie uznać za poważny nadprąd w falowniku. Gdy wystąpi zwarcie, jeśli nie zostaną podjęte odpowiednie środki, IGBT szybko przejdzie w stan nasycenia, a chwilowa moc przekroczy limit i dojdzie do uszkodzenia, ponieważ IGBT może wytrzymać nadprąd tylko przez kilka mikrosekund. Dlatego w przypadku zwarcia IGBT powinien zostać wyłączony jak najszybciej, a prędkość wyłączania powinna być łagodna, aby zapewnić, że szybkość zmiany prądu mieści się w określonym zakresie, unikając zbyt szybkiego spadku napięcia, który powoduje przekroczenie naprężeń i uszkodzenie IGBT. Schemat aktywnego zaciskania wyposażony jest w szybkie środki reakcji, które umożliwiają sterownikowi IGBT działanie tak szybko, jak to możliwe.
3. Ochrona IGBT przed przegrzaniem
Gdy temperatura otoczenia falownika jest zbyt wysoka lub falownik ma słabe odprowadzanie ciepła, ciągłe przegrzewanie uszkadza IGBT. Jeśli urządzenie nadal ma zwarcia, moc generowana przez wysoki prąd powoduje wzrost temperatury. Jeśli temperatura chipu przekroczy temperaturę krytyczną krzemu (około 250 °C), urządzenie straci zdolność blokowania, a sterowanie bramką nie będzie chronione, co doprowadzi do awarii IGBT. Projektując, bierze się pod uwagę dwa aspekty: Po pierwsze, wzmocnienie i poprawę warunków odprowadzania ciepła IGBT, w tym projektowanie kanałów powietrznych, radiatorów i ich produkcję oraz wzmocnienie chłodzenia; po drugie, zaprojektowanie obwodu ochrony przed przegrzaniem, wykorzystując wbudowany termistor w module IGBT do pomiaru temperatury odprowadzania ciepła IGBT. Pomiar jest bardzo dokładny. Gdy temperatura przekroczy ustawioną wartość, IGBT zostaje wyłączony, aby zapobiec dalszej pracy.
4. Ochrona przed awarią mechaniczną IGBT
Aby ułatwić odprowadzanie ciepła, IGBT jest mocowany śrubami do radiatora. Siła dokręcenia tych śrub jest bardzo ważna i powinna być odpowiednia. Zbyt mocne dokręcenie może uszkodzić IGBT. Zbyt słabe dokręcenie może spowodować, że podczas transportu i montażu drgania spowodują słaby kontakt, wzrost oporu termicznego i uszkodzenie urządzenia przez przegrzanie. Podczas montażu IGBT używa się specjalnego śrubokręta. W zależności od modelu IGBT stosuje się odpowiedni moment dokręcenia, aby zapewnić solidne połączenie i uniknąć uszkodzeń.
Podsumowanie
IGBT jest najbardziej wrażliwym i podatnym na uszkodzenia elementem falownika mocy. Jednocześnie jest to najdroższy i najważniejszy komponent falownika, dlatego należy stosować różnorodne środki ochronne, aby go zabezpieczyć.
