IGBT เป็นอุปกรณ์กำลังชนิดหนึ่ง ซึ่งทำหน้าที่แปลงพลังงานและส่งผ่านพลังงานในอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า มันเป็นหัวใจของอินเวอร์เตอร์ ในขณะเดียวกัน IGBT ก็เป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่ไม่น่าเชื่อถือที่สุดในอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า มันไวต่ออุณหภูมิ แรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์มาก หากมีการเกินขีดจำกัดแม้เพียงเล็กน้อย จะทำให้อุปกรณ์ไม่สามารถทำงานได้และไม่สามารถซ่อมแซมได้ ความเสียหายของ IGBT หมายความว่าอินเวอร์เตอร์ต้องถูกเปลี่ยนหรือซ่อมแซม ดังนั้น IGBT จึงเป็นวัตถุที่ต้องได้รับการปกป้องเป็นพิเศษในอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า
ข้างต้นคือสามรูปแบบของความล้มเหลวของ IGBT ความผิดพลาดทางไฟฟ้าเป็นสิ่งที่พบบ่อยที่สุด เนื่องจาก IGBT ทำหน้าที่แปลงกระแสและแรงดันไฟฟ้า และมีความถี่สูงมาก วงจรหลักของ IGBT ที่สูงเกินไป แรงดันขับที่สูงเกินไป หรือแรงดันสปายค์ภายนอกที่สูงเกินไป อาจทำให้เกิดความเสียหายจากแรงดันเกิน นอกจากนี้ การทำงานเกินพิกัดหรือการลัดวงจรของ อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า อาจทำให้เกิดกระแสเกิน ข้อผิดพลาดที่สองคือความผิดพลาดทางอุณหภูมิ IGBT สร้างความร้อนจำนวนมากในระหว่างการทำงาน หากความร้อนไม่สามารถระบายได้ทันเวลา อาจทำให้เกิดความเสียหายจากความร้อนสูงเกินไป ความล้มเหลวทางกลมักเกิดขึ้นในกระบวนการผลิต การแปรรูป การขนส่ง และการติดตั้ง ซึ่งเป็นกรณีที่พบได้น้อยมาก
1. การปกป้องการขับเคลื่อน IGBT
IGBT เองเป็นอุปกรณ์สวิตช์กระแสไฟฟ้า เมื่อใดที่เปิดหรือปิด และเปิดหรือปิดนานเท่าใด จะถูกควบคุมโดย CPU ของอินเวอร์เตอร์ อย่างไรก็ตาม DSP จะส่งสัญญาณ PWM ซึ่งมีความเร็วสูงแต่กำลังไม่เพียงพอ หน้าที่หลักของไดรเวอร์คือการขยายสัญญาณ PWM
IGBT ควบคุมกระแสความถี่สูงมาก และสร้างสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ เนื่องจากไดรเวอร์อยู่ใกล้กับ IGBT วงจรขับจึงต้องมีฟังก์ชันการแยกวงจร ปัจจุบันมีวิธีการแยกวงจรขับหลายแบบ เช่น ออปโตคัปเปลอร์ ไฟเบอร์ออปติก หม้อแปลงพัลส์ การเชื่อมต่อแม่เหล็ก และอื่น ๆ ข้อดีและข้อเสียของแต่ละวิธีมีดังนี้:
2. การปกป้องกระแสเกิน / ลัดวงจรของ IGBT
ในการออกแบบ IGBT กระแสมักจะเผื่อไว้มากกว่า 10% อย่างไรก็ตาม เมื่ออินเวอร์เตอร์ทำงาน เนื่องจากการลัดวงจรของส่วนประกอบและโหลด ความผิดพลาดที่ฝั่งโหลดทำให้เกิดกระแสเกิน และฝั่งโหลดมีโหลดเหนี่ยวนำขนาดใหญ่มาก เมื่อเริ่มและหยุด จะมีการเกิดกระแสฮาร์มอนิกสูง ในเวลานี้ กระแสเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้กระแสการทำงานของ IGBT เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การลัดวงจรของ IGBT แบ่งเป็นสองกรณี: กระแสผ่านเกิดขึ้นในแขนสะพานของตัวแปลง เรียกว่าการลัดวงจรประเภทที่ 1 จุดลัดวงจรของตัวแปลงเกิดที่ฝั่งโหลด และอิมพีแดนซ์ลัดวงจรเทียบเท่าจะสูง เรียกว่าการลัดวงจรประเภทที่ 2 การลัดวงจรประเภทที่ 2 โดยทั่วไปถือเป็นกระแสเกินรุนแรงในอินเวอร์เตอร์ เมื่อเกิดการลัดวงจร หากไม่ดำเนินมาตรการที่เกี่ยวข้อง IGBT จะเข้าสู่สถานะ desaturation อย่างรวดเร็ว และการใช้พลังงานชั่วคราวจะเกินขีดจำกัดและเกิดความเสียหาย เพราะ IGBT สามารถทนกระแสเกินได้เพียงไม่กี่ไมโครวินาทีเท่านั้น ดังนั้นเมื่อเกิดการลัดวงจร ควรปิด IGBT โดยเร็วที่สุด และความเร็วในการปิดควรนุ่มนวล เพื่อให้แน่ใจว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสอยู่ในช่วงที่กำหนด เพื่อหลีกเลี่ยงการตัดแรงดันเร็วเกินไป ซึ่งทำให้แรงดันเกินขีดจำกัดและทำลาย IGBT วิธีการ active clamping มีมาตรการตอบสนองอย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยให้ไดรเวอร์ IGBT ทำงานได้เร็วที่สุด
3. การปกป้องความร้อนเกินของ IGBT
เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมของอินเวอร์เตอร์สูงเกินไป หรืออินเวอร์เตอร์มีการระบายความร้อนที่ไม่ดี ความร้อนสูงต่อเนื่องจะทำลาย IGBT หากอุปกรณ์ยังคงมีการลัดวงจร กระแสไฟฟ้าสูงจะทำให้เกิดความร้อนเพิ่มขึ้น หากอุณหภูมิของชิปเกินอุณหภูมิซิลิคอนที่แท้จริง (ประมาณ 250 °C) อุปกรณ์จะสูญเสียความสามารถในการกั้น และการควบคุมเกตจะไม่สามารถปกป้องได้ ส่งผลให้ IGBT เสียหาย การออกแบบจะพิจารณาสองด้านหลัก: ประการแรก คือการเสริมและปรับปรุงสภาพการระบายความร้อนของท่อ IGBT รวมถึงการออกแบบท่ออากาศ การออกแบบและผลิตฮีตซิงก์ และการเสริมระบบทำความเย็น ประการที่สอง คือการออกแบบวงจรตรวจจับความร้อนเกิน โดยใช้เทอร์มิสเตอร์ในตัวบนโมดูล IGBT เพื่อวัดอุณหภูมิการระบายความร้อนของ IGBT ซึ่งมีความแม่นยำสูง เมื่ออุณหภูมิเกินค่าที่ตั้งไว้ IGBT จะถูกปิดเพื่อหยุดการทำงาน
4. การปกป้องความล้มเหลวทางกลของ IGBT
เพื่อช่วยในการระบายความร้อน IGBT จะถูกยึดด้วยสกรูและติดตั้งบนฮีตซิงก์ ความแข็งแรงของการยึดสกรูนี้มีความสำคัญมาก ควรเหมาะสม หากแรงยึดมากเกินไป จะทำลาย IGBT หากแรงยึดน้อยเกินไป ในระหว่างการขนส่งและติดตั้ง การสั่นสะเทือนจะทำให้การสัมผัสไม่ดี ความต้านทานความร้อนจะเพิ่มขึ้น และอุปกรณ์จะเกิดความเสียหายจากความร้อนสูงเกินไป ในการติดตั้ง IGBT จะใช้ไขควงพิเศษ โดยใช้แรงบิดที่เหมาะสมตามรุ่นของ IGBT เพื่อให้แน่ใจว่า IGBT ถูกยึดอย่างแน่นหนาและไม่เสียหายง่าย
สรุป
IGBT เป็นอุปกรณ์ที่ไวและเปราะบางที่สุดในอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า ในขณะเดียวกันก็เป็นส่วนประกอบที่มีราคาแพงและสำคัญที่สุดในอินเวอร์เตอร์ จึงต้องมีมาตรการต่าง ๆ มากมายเพื่อปกป้องมัน
