IGBT是一種功率器件，在功率逆變器中承擔(dān)功率轉(zhuǎn)換和能量傳輸?shù)墓δ?。它是逆變器的心臟。同時(shí)，IGBT也是功率逆變器中最不可靠的元件之一。它對(duì)器件的溫度、電壓和電流非常敏感。稍有超出，就會(huì)變得無(wú)能，無(wú)法修復(fù)。IGBT損壞意味著逆變器必須更換或大修。因此，IGBT是功率逆變器的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。

逆變器核心部件IGBT介紹

IGBT失效的三種模式。電氣故障最為常見(jiàn)，因?yàn)镮GBT承擔(dān)電流電壓轉(zhuǎn)換的功能，而且頻率很高。IGBT主電路過(guò)高、驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高或外部尖峰電壓過(guò)高都可能導(dǎo)致過(guò)壓損壞。此外，逆變器的過(guò)載或短路 可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)電流。二是溫度故障。IGBT 在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。如果熱量不能及時(shí)散去，可能會(huì)因過(guò)熱而損壞。機(jī)械故障很可能發(fā)生在制造、加工、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中。這種情況非常罕見(jiàn)。

1. IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)

IGBT本身是電流開(kāi)關(guān)器件。何時(shí)開(kāi)啟、何時(shí)關(guān)閉、開(kāi)啟或關(guān)閉多長(zhǎng)時(shí)間由變頻器的 CPU 控制。但是DSP輸出的是PWM信號(hào)，速度快但功率不夠。驅(qū)動(dòng)器的主要功能是放大 PWM 信號(hào)。

IGBT 控制非常高的高頻電流，并產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)。此外，由于驅(qū)動(dòng)器靠近IGBT，驅(qū)動(dòng)電路必須具有隔離功能。目前驅(qū)動(dòng)隔離方案有光耦、光纖、脈沖變壓器、磁耦合等。每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

2. IGBT過(guò)流/短路保護(hù)

在設(shè)計(jì) IGBT 時(shí)，通常給電流留出 10% 以上的裕量。但在逆變器工作時(shí)，由于元件與負(fù)載短路，負(fù)載側(cè)故障導(dǎo)致過(guò)流，負(fù)載側(cè)有特別大的感性負(fù)載。啟停時(shí)會(huì)有高次諧波電流。此時(shí)逆變器輸出電流會(huì)急劇上升，導(dǎo)致IGBT的工作電流急劇上升。

IGBT短路分為兩種情況： 直通電流發(fā)生在變流器橋臂中，稱為I型短路。轉(zhuǎn)換器的短路點(diǎn)發(fā)生在負(fù)載側(cè)，等效短路阻抗高，稱為II型短路。II型短路一般可以認(rèn)為是逆變器中的嚴(yán)重過(guò)電流。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，如果不采取相關(guān)措施，IGBT會(huì)迅速進(jìn)入去飽和狀態(tài)，瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞，因?yàn)镮GBT只能維持幾微秒的過(guò)電流。

因此，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT，關(guān)斷速度要平緩，以保證電流變化率在一定范圍內(nèi)，從而避免電壓過(guò)低。切得太快，造成電壓應(yīng)力超限，損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施，使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，如果不采取相關(guān)措施，IGBT會(huì)迅速進(jìn)入去飽和狀態(tài)，瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞，因?yàn)镮GBT只能維持幾微秒的過(guò)電流。因此，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT，關(guān)斷速度要平緩，以保證電流變化率在一定范圍內(nèi)，從而避免電壓過(guò)低。切得太快，造成電壓應(yīng)力超限，損壞IGBT。

有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施，使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，如果不采取相關(guān)措施，IGBT會(huì)迅速進(jìn)入去飽和狀態(tài)，瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞，因?yàn)镮GBT只能維持幾微秒的過(guò)電流。因此，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT，關(guān)斷速度要平緩，以保證電流變化率在一定范圍內(nèi)，從而避免電壓過(guò)低。切得太快，造成電壓應(yīng)力超限，損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施，使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。

并且瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞，因?yàn)镮GBT只能承受過(guò)電流只有幾微秒。因此，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT，關(guān)斷速度要平緩，以保證電流變化率在一定范圍內(nèi)，從而避免電壓過(guò)低。切得太快，造成電壓應(yīng)力超限，損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施，使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。并且瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)極限而損壞，因?yàn)镮GBT只能承受過(guò)電流只有幾微秒。因此，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT，關(guān)斷速度要平緩，以保證電流變化率在一定范圍內(nèi)，從而避免電壓過(guò)低。切得太快，造成電壓應(yīng)力超限，損壞IGBT。

有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施，使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。并且關(guān)斷速度要平緩，以保證電流變化率在一定范圍內(nèi)，從而避免電壓切斷過(guò)快，造成電壓應(yīng)力超限，損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施，使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。并且關(guān)斷速度要平緩，以保證電流變化率在一定范圍內(nèi)，從而避免電壓切斷過(guò)快，造成電壓應(yīng)力超限，損壞IGBT。有源鉗位方案具有快速響應(yīng)措施，使 IGBT 驅(qū)動(dòng)器能夠盡快運(yùn)行。

3. IGBT過(guò)溫保護(hù)

當(dāng)功率逆變器環(huán)境溫度過(guò)高，或逆變器散熱不良時(shí)，持續(xù)過(guò)熱會(huì)損壞IGBT。如果設(shè)備繼續(xù)短路，大電流產(chǎn)生的功率會(huì)導(dǎo)致溫度升高。如果芯片溫度超過(guò)硅本征溫度(約250℃)，器件將失去阻斷能力，門控將得不到保護(hù)，導(dǎo)致IGBT失效。設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)方面：一是加強(qiáng)和改善IGBT管的散熱條件，包括風(fēng)道設(shè)計(jì)、散熱片設(shè)計(jì)制作、加強(qiáng)制冷等;二、設(shè)計(jì)過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)電路，采用IGBT模塊內(nèi)置熱敏電阻測(cè)量IGBT散熱溫度。這是非常準(zhǔn)確的。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，IGBT將關(guān)斷，停止工作。

4. IGBT機(jī)械故障保護(hù)

為便于散熱，IGBT采用螺釘連接，安裝在散熱器上。這個(gè)螺絲的連接強(qiáng)度很講究，應(yīng)該合適。如果用力過(guò)大，會(huì)損壞 IGBT。如果用力過(guò)輕，在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接觸不良，熱阻增大，器件會(huì)出現(xiàn)過(guò)溫?fù)p壞。在安裝 IGBT 時(shí)，將使用專用螺絲刀。根據(jù) IGBT 型號(hào)，采用相應(yīng)的扭矩，保證 IGBT 連接牢固，不易損壞。

結(jié)論

IGBT 是功率逆變器中最敏感、最脆弱的器件。同時(shí)，它也是逆變器中最昂貴、最關(guān)鍵的部件，需要采取多種不同的保護(hù)措施。

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