IGBT — це тип силового пристрою, який виконує функцію перетворення енергії та передачі енергії в силовому інверторі. Він є серцем інвертора. Водночас IGBT також є одним із найменш надійних компонентів у силовому інверторі. Він дуже чутливий до температури, напруги та струму пристрою. Навіть незначне перевищення параметрів робить його непридатним і неможливим до ремонту. Пошкодження IGBT означає, що інвертор потрібно замінити або відремонтувати. Тому IGBT є ключовим об’єктом захисту силового інвертора.
Вищезазначені — це три режими відмови IGBT. Електрична несправність є найпоширенішою, оскільки IGBT виконує функцію перетворення струму та напруги, і частота роботи дуже висока. Надто висока напруга в основній ланцюзі IGBT, надто висока напруга керування або надто висока зовнішня імпульсна напруга можуть спричинити пошкодження від перенапруги. Крім того, перевантаження або коротке замикання силового інвертора може спричинити перевищення струму. Другий тип несправності — температурний. IGBT під час роботи генерує багато тепла. Якщо тепло не відводиться вчасно, він може бути пошкоджений через перегрів. Механічні несправності можуть виникати під час виробництва, обробки, транспортування та монтажу. Такі випадки досить рідкісні.
1. Захист керування IGBT
Сам IGBT є пристроєм для комутації струму. Коли його вмикають, коли вимикають, як довго він увімкнений або вимкнений — це контролюється процесором інвертора. Однак DSP видає PWM-сигнал, який має високу швидкість, але недостатню потужність. Основна функція драйвера — підсилити PWM-сигнал.
IGBT керує дуже високочастотним струмом, і він генерує електромагнітні перешкоди. Крім того, оскільки драйвер розташований близько до IGBT, керуюча схема повинна мати функцію ізоляції. Наразі схеми ізоляції керування включають оптопару, оптоволокно, імпульсний трансформатор, магнітне зв’язування тощо. Переваги та недоліки кожного методу такі:
2. Захист IGBT від перевищення струму / короткого замикання
При проєктуванні IGBT зазвичай передбачають запас струму понад 10%. Однак під час роботи силового інвертора через коротке замикання компонента або навантаження на стороні навантаження виникає перевищення струму, особливо якщо на стороні навантаження є велике індуктивне навантаження. Під час запуску та зупинки з’являється високочастотний гармонічний струм. У цей момент вихідний струм інвертора різко зростає, що призводить до різкого збільшення робочого струму IGBT. Коротке замикання IGBT поділяють на два випадки: струм протікання в плечі моста перетворювача, що називається коротким замиканням типу I; коротке замикання на стороні навантаження перетворювача, де еквівалентний опір короткого замикання високий, що називається коротким замиканням типу II. Коротке замикання типу II зазвичай розглядається як серйозне перевищення струму в інверторі. Якщо коротке замикання виникає і не вжити відповідних заходів, IGBT швидко входить у стан десатурації, і миттєве споживання потужності перевищує межу, що призводить до пошкодження, оскільки IGBT може витримувати перевищення струму лише кілька мікросекунд. Тому при короткому замиканні IGBT слід вимкнути якомога швидше, а швидкість вимкнення має бути плавною, щоб забезпечити, що швидкість зміни струму перебуває в певних межах, уникаючи надто швидкого зрізання напруги, що може спричинити перевищення напругового стресу і пошкодження IGBT. Активна схема обмеження забезпечує швидку реакцію, що дозволяє драйверу IGBT працювати максимально швидко.
3. Захист IGBT від перегріву
Коли температура навколишнього середовища силового інвертора занадто висока або інвертор має погане відведення тепла, тривалий перегрів пошкоджує IGBT. Якщо пристрій продовжує мати коротке замикання, потужність, що генерується високим струмом, спричиняє підвищення температури. Якщо температура кристала перевищує температуру кремнію (близько 250 °C), пристрій втрачає здатність блокування, і керування затвором не захищене, що призводить до відмови IGBT. При проєктуванні враховують два основні аспекти: по-перше, посилення та покращення умов відведення тепла IGBT, включно з проєктуванням повітряних каналів, радіаторів і посиленням охолодження; по-друге, проєктування схеми захисту від перегріву, використання вбудованого термістора в модулі IGBT для вимірювання температури відведення тепла. Це дуже точний метод. Коли температура перевищує встановлене значення, IGBT вимикається для припинення роботи.
4. Захист від механічних пошкоджень IGBT
Для полегшення відведення тепла IGBT кріпиться гвинтами і монтується на радіаторі. Сила затягування гвинтів дуже важлива і має бути оптимальною. Якщо сила занадто велика, це може пошкодити IGBT. Якщо сила занадто мала, під час транспортування та монтажу вібрації можуть спричинити поганий контакт, збільшення теплового опору і пошкодження пристрою через перегрів. Під час монтажу IGBT використовується спеціальна викрутка. Відповідно до моделі IGBT застосовується відповідний момент затягування, щоб забезпечити надійне кріплення без пошкоджень.
Висновок
IGBT є найчутливішим і найвразливішим пристроєм у силовому інверторі. Водночас це найдорогий і найважливіший компонент інвертора, тому слід застосовувати різні заходи для його захисту.
