IGBT to rodzaj urządzenia mocy, które pełni funkcję konwersji mocy i przesyłu energii w falowniku. Jest sercem falownika. Jednocześnie IGBT jest również jednym z najbardziej zawodnych elementów w falowniku mocy. Jest bardzo wrażliwy na temperaturę, napięcie i prąd urządzenia. Nawet niewielkie przekroczenie parametrów powoduje jego uszkodzenie, które jest nieodwracalne i niemożliwe do 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 obwodzie głównym IGBT, zbyt wysokie napięcie sterujące lub zbyt wysokie zewnętrzne napięcie impulsowe 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. Taka sytuacja jest jednak dość rzadka.
1. Ochrona sterowania IGBT
IGBT jest urządzeniem przełączającym prąd. Kiedy jest włączany, kiedy wyłączany oraz 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 sygnał 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 przed nadprądem / zwarciem IGBT
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 rośnie, powodując gwałtowny wzrost prądu roboczego IGBT. Zwarcie IGBT dzieli się na dwa przypadki: Prąd przepływowy występuje w ramieniu 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 jak najszybciej wyłączony, a prędkość wyłączania powinna być łagodna, aby zapewnić, że szybkość zmiany prądu mieści się w określonym zakresie, unikając zbyt szybkiego spadku napięcia, który powodowałby przekroczenie naprężeń i uszkodzenie IGBT. Schemat aktywnego zaciskania wyposażony jest w szybkie środki reakcji, które umożliwiają sterownikowi IGBT działanie z maksymalną szybkością.
3. Ochrona przed przegrzaniem IGBT
Gdy temperatura otoczenia falownika jest zbyt wysoka lub falownik ma słabe chłodzenie, 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. Projektowanie uwzględnia dwa aspekty: Po pierwsze, wzmocnienie i poprawę warunków chłodzenia IGBT, w tym projektowanie kanałów powietrznych, radiatorów i ich produkcję oraz wzmocnienie chłodzenia; po drugie, zaprojektowanie obwodu ochrony przed przegrzaniem, wykorzystującego wbudowany termistor w module IGBT do pomiaru temperatury chłodzenia 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 istotna i powinna być odpowiednia. Zbyt mocne dokręcenie może uszkodzić IGBT. Zbyt słabe dokręcenie może spowodować podczas transportu i montażu drgania, które prowadzą do złego kontaktu, wzrostu oporu termicznego i uszkodzenia 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 zapobiec uszkodzeniom.
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.
