IGBT - ส่วนประกอบหลักของอินเวอร์เตอร์พลังงาน

IGBT เป็นอุปกรณ์พลังงานชนิดหนึ่ง ซึ่งทำหน้าที่ในการแปลงพลังงานและการส่งผ่านพลังงานในอินเวอร์เตอร์พลังงาน มันเป็นหัวใจของอินเวอร์เตอร์ ในขณะเดียวกัน IGBT ยังเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่ไม่น่าเชื่อถือที่สุดในอินเวอร์เตอร์พลังงาน มันมีความไวต่ออุณหภูมิ แรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์ หากมีการเกินขีดจำกัดแม้เพียงเล็กน้อย มันจะไม่สามารถทำงานได้และไม่สามารถซ่อมแซมได้ ความเสียหายของ IGBT หมายความว่าอินเวอร์เตอร์ต้องถูกเปลี่ยนหรือซ่อมแซม ดังนั้น IGBT จึงเป็นวัตถุป้องกันที่สำคัญของอินเวอร์เตอร์พลังงาน.

ข้างต้นคือโหมดการล้มเหลวของ IGBT สามโหมด ความผิดพลาดทางไฟฟ้าเป็นเรื่องที่พบได้บ่อยที่สุด เนื่องจาก IGBT ทำหน้าที่ในการแปลงกระแสและแรงดันไฟฟ้า และความถี่สูงมาก แรงดันไฟฟ้าหลักของ IGBT ที่สูงเกินไป แรงดันไฟฟ้าขับที่สูงเกินไป หรือแรงดันไฟฟ้าสูงเกินไปจากภายนอกอาจทำให้เกิดความเสียหายจากแรงดันไฟฟ้าสูง นอกจากนี้ การโหลดเกินหรือการลัดวงจรของ พาวเวอร์อินเวอร์เตอร์ อาจทำให้เกิดกระแสเกินได้ สาเหตุที่สองคือความผิดพลาดจากอุณหภูมิ IGBT จะสร้างความร้อนมากในระหว่างการทำงาน หากความร้อนไม่สามารถระบายออกได้ทันเวลา อาจทำให้เกิดความเสียหายจากความร้อนสูง ความล้มเหลวทางกลมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในกระบวนการผลิต การประมวลผล การขนส่ง และการติดตั้ง สภาพเช่นนี้ค่อนข้างหายาก.

1. การป้องกันการขับเคลื่อน IGBT
IGBT เองเป็นอุปกรณ์สวิตช์กระแส เมื่อใดที่มันเปิด เมื่อใดที่มันปิด และระยะเวลาที่มันเปิดหรือปิดจะถูกควบคุมโดย CPU ของอินเวอร์เตอร์ อย่างไรก็ตาม DSP จะส่งสัญญาณ PWM ออกมา ซึ่งมีความเร็วสูงแต่กำลังไม่เพียงพอ ฟังก์ชันหลักของไดรเวอร์คือการขยายสัญญาณ PWM.

IGBT ควบคุมกระแสความถี่สูงมาก และสร้างสัญญาณการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ เนื่องจากไดรเวอร์อยู่ใกล้กับ IGBT วงจรขับจึงต้องมีฟังก์ชันการแยกตัว ปัจจุบัน แผนการแยกการขับรวมถึงออปโตคัปเปลเลอร์ เส้นใยแก้วนำแสง หม้อแปลงพัลส์ การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก และอื่นๆ ข้อดีและข้อเสียของแต่ละวิธีมีดังนี้:

2. การป้องกันกระแสเกิน / ลัดวงจรของ IGBT
ในการออกแบบ IGBT กระแสมักจะมีการกำหนดขอบเขตมากกว่า 10% อย่างไรก็ตาม เมื่ออินเวอร์เตอร์พลังงานทำงาน เนื่องจากการลัดวงจรของส่วนประกอบและโหลด ความผิดพลาดที่ด้านโหลดทำให้เกิดกระแสเกิน และด้านโหลดมีโหลดเหนี่ยวนำที่มีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ เมื่อเริ่มต้นและหยุด จะมีการเกิดกระแสฮาร์มอนิกสูง ในขณะนี้ กระแสเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้กระแสการทำงานของ IGBT เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การลัดวงจรของ IGBT แบ่งออกเป็นสองกรณี: กระแสที่ไหลผ่านเกิดขึ้นในแขนสะพานของตัวแปลง ซึ่งเรียกว่าการลัดวงจรประเภทที่ I จุดลัดวงจรของตัวแปลงเกิดขึ้นที่ด้านโหลด และอิมพีแดนซ์ลัดวงจรที่เทียบเท่ามีค่าสูง ซึ่งเรียกว่าการลัดวงจรประเภทที่ II การลัดวงจรประเภทที่ II โดยทั่วไปสามารถพิจารณาว่าเป็นกระแสเกินที่รุนแรงในอินเวอร์เตอร์ เมื่อเกิดการลัดวงจร หากไม่มีการดำเนินการที่เกี่ยวข้อง IGBT จะเข้าสู่สถานะการขาดการอิ่มตัวอย่างรวดเร็ว และการใช้พลังงานชั่วคราวจะเกินขีดจำกัดและเกิดความเสียหาย เนื่องจาก IGBT สามารถทนกระแสเกินได้เพียงไม่กี่ไมโครวินาทีเท่านั้น ดังนั้นเมื่อเกิดการลัดวงจร IGBT ควรถูกปิดโดยเร็วที่สุด และความเร็วในการปิดควรเป็นไปอย่างนุ่มนวล เพื่อให้แน่ใจว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสอยู่ในช่วงที่กำหนด ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงไม่ให้แรงดันถูกตัดเร็วเกินไป ทำให้ความเครียดของแรงดันเกินขีดจำกัดและทำให้ IGBT เสียหาย แผนการยึดที่ใช้งานได้มีการจัดเตรียมมาตรการตอบสนองอย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยให้ตัวขับ IGBT ทำงานได้อย่างรวดเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้.

3. การป้องกันอุณหภูมิสูงเกินไปของ IGBT
เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมของอินเวอร์เตอร์พลังงานสูงเกินไป หรืออินเวอร์เตอร์มีการระบายความร้อนที่ไม่ดี การทำให้ร้อนเกินไปอย่างต่อเนื่องจะทำให้ IGBT เสียหาย หากอุปกรณ์ยังคงมีการลัดวงจร กระแสไฟฟ้าสูงจะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ หากอุณหภูมิของชิปเกินอุณหภูมิภายในของซิลิคอน (ประมาณ 250 °C) อุปกรณ์จะสูญเสียความสามารถในการบล็อก และการควบคุมเกตจะไม่ได้รับการป้องกัน ส่งผลให้ IGBT ล้มเหลว มีสองด้านที่พิจารณาเป็นหลักในการออกแบบ: ประการแรก เสริมสร้างและปรับปรุงสภาพการระบายความร้อนของท่อ IGBT รวมถึงการออกแบบช่องอากาศ การออกแบบและการผลิตฮีทซิงค์ และเสริมสร้างการทำความเย็น เป็นต้น; ประการที่สอง ออกแบบวงจรป้องกันการตรวจจับความร้อนสูงเกินไป ใช้เทอร์มิสเตอร์ในตัวบนโมดูล IGBT เพื่อวัดอุณหภูมิการระบายความร้อนของ IGBT ซึ่งมีความแม่นยำมาก เมื่ออุณหภูมิเกินค่าที่ตั้งไว้ IGBT จะถูกปิดเพื่อหยุดการทำงาน.

4. การป้องกันความล้มเหลวทางกลของ IGBT
เพื่ออำนวยความสะดวกในการกระจายความร้อน IGBT จะถูกเชื่อมต่อด้วยสกรูและติดตั้งบนหม้อน้ำ ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อของสกรูนี้มีความเฉพาะเจาะจงมาก ซึ่งควรจะเหมาะสม หากแรงมากเกินไป จะทำให้ IGBT เสียหาย หากแรงน้อยเกินไป ในระหว่างการขนส่งและติดตั้ง การสั่นสะเทือนจะทำให้การติดต่อไม่ดี ความต้านทานความร้อนจะเพิ่มขึ้น และอุปกรณ์จะเกิดความเสียหายจากอุณหภูมิสูง ในการติดตั้ง IGBT จะใช้ไขควงพิเศษ ตามรุ่นของ IGBT จะใช้แรงบิดที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่า IGBT เชื่อมต่ออย่างแน่นหนาและไม่ถูกทำลายได้ง่าย.

บทสรุป
IGBT เป็นอุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงและเปราะบางที่สุดในเครื่องแปลงไฟฟ้า ในขณะเดียวกัน มันยังเป็นส่วนประกอบที่มีราคาแพงและสำคัญที่สุดในเครื่องแปลงไฟฟ้า และควรมีมาตรการต่างๆ เพื่อปกป้องมัน