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通用變頻器的IGBT中的影響因素

我的變頻器的通用的,故障顯示中顯示的是IGBT那一項(xiàng)受到干擾,我想問一下影響IGBT的因素有什么?通過什么方法解決?: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-06-08

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IGBT典型失效現(xiàn)象及分析1、溫度上升對(duì)IGBT參數(shù)的影響溫度上升包含兩個(gè)意思:一是IGBT中的電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，主要由于器件中的電阻熱效應(yīng);一是器件發(fā)熱與外部冷卻之間的相互作用，發(fā)生的熱量如果不能及時(shí)散發(fā)出去，即散發(fā)能力不夠，則使溫度上升。溫度上升，IGBT中的兩個(gè)晶體管的放大系數(shù)α1和α2均增大，該兩個(gè)晶體管構(gòu)成一個(gè)寄生晶閘管。借助于IGBT等效電路圖(圖3)，開通過程為:當(dāng)給柵極加壓Vg，產(chǎn)生Ig，則MOSFET開通，產(chǎn)生I1，I1為PNP的基極電流，開通PNP，產(chǎn)生I2，I2為NPN提供基極電流，產(chǎn)生I3，使整個(gè)IGBT全面開通。I1、I2和I3構(gòu)成IGBT開通后的全部電流，其中I2為主要部分。當(dāng)溫度上升，α1和α2上升，使α1+α2→1，將使寄生晶閘管出現(xiàn)“閉鎖效應(yīng)”，而使IGBT一直導(dǎo)通，即使Vg去掉，I1=0,由于該閉鎖效應(yīng)，PNPN導(dǎo)通，開關(guān)失效。因此，溫度上升，增加，使得重復(fù)開斷的通態(tài)電流下降。圖4為SKM600GB126D 型IGBT的通態(tài)電流IC隨溫度變化的曲線【5】。從圖中可以看到，隨溫度升高，電流下降，且在800C之后，電流下降非常迅速。圖4 IGBT(SKM600GB126D)溫度-電流曲線(略) 在一臺(tái)實(shí)際的160kW三電平變頻器中，溫升試驗(yàn)中發(fā)生的IGBT失效現(xiàn)象說明該問題:該變頻器所選的IGBT型號(hào)為SKM600GB126D，工頻下重復(fù)可關(guān)斷電流為600A。該變頻器起動(dòng)后，帶滿載運(yùn)行，額定電流為315A。起動(dòng)穩(wěn)定后的50分鐘運(yùn)行一切正常，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，IGBT殼溫從300C上升到1200C，裝置發(fā)生過流保護(hù)。分析其原因:當(dāng)IGBT殼溫達(dá)到1200C以后，最大重復(fù)可關(guān)斷電流值發(fā)生變化(約為250A)，驅(qū)動(dòng)開關(guān)發(fā)生失效，直流母排中點(diǎn)電壓平衡破壞，造成直通過流，器件保護(hù)。一般解決該問題的主要措施有: (1)減小器件的發(fā)熱，選擇適當(dāng)?shù)腎GBT參數(shù);(2)加強(qiáng)散熱，主要從冷卻結(jié)構(gòu)和方式中尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)和方式;(3)降低開關(guān)頻率，在開關(guān)頻率為1k以上，開關(guān)損耗超過總損耗的一半;(4)縮短開通和關(guān)斷時(shí)間，也是為了減小開關(guān)損耗，但要注意，di/dt和 dv/dt的升高，引起另外的器件失效機(jī)理;(5)降低諧波分量。諧波分量不轉(zhuǎn)化為有功，但增加器件內(nèi)部電阻損耗。2、輸入電壓升高，開關(guān)器件保護(hù)，PWM脈沖失效，中點(diǎn)電壓平衡破壞仍以上面的160kW、380V低壓三電平變頻器為例，其調(diào)制采用SVPWM方法，開環(huán)VVVF控制，驅(qū)動(dòng)一臺(tái)160kW的異步電機(jī)。當(dāng)輸入電壓為300V以下時(shí)，起動(dòng)運(yùn)行都沒有問題，中點(diǎn)電壓平衡很好。但輸入電壓升至350V或者380V時(shí)，則電機(jī)起動(dòng)不起來，IGBT發(fā)生保護(hù)，中點(diǎn)電壓偏離，嚴(yán)重時(shí)燒壞器件。事實(shí)上，當(dāng)起動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)速度為零。電機(jī)反電勢(shì)為零，其等效電路圖如圖5所示。其中R為回路電阻，L1為回路漏電感，Lr為電機(jī)電樞電感(可變，與電機(jī)反電勢(shì)相對(duì)應(yīng))，V為電源。Lr為零，而R與L1很小，此時(shí)回路電流基本為短路電流，數(shù)值很大，且該數(shù)值取決于電源電壓。輸入電源電壓越高，則短路電流越大。該大電流使得di/dt、dv/dt均增大，直至超過IGBT的承受值，使得IGBT保護(hù)，驅(qū)動(dòng)脈沖失效，打破了中點(diǎn)平衡開關(guān)序列規(guī)律，而使中點(diǎn)電壓發(fā)生偏離。從能量的角度來看，此時(shí)輸出的機(jī)械能受阻，輸入電磁能在變頻器內(nèi)部吸收，尤其在IGBT內(nèi)部轉(zhuǎn)化，輕則使得器件保護(hù)，重則器件燒壞。此時(shí)電磁能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化不合理，電流中的有功和無(wú)功分量不合理。圖5 變頻調(diào)速系統(tǒng)等效電路圖(略)有效的解決方法主要包括:(1)增加有效預(yù)勵(lì)磁，減小起動(dòng)電流，提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電流有功分量和無(wú)功分量分配合理;(2)設(shè)定低頻啟動(dòng)，延長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間，使得di/dt和dv/dt降低;(3)減小v/f補(bǔ)償值，適當(dāng)減小占空比，起動(dòng)力矩也隨之有效減小;(4)在母排上加一起動(dòng)限流器，以減小di/dt，正常運(yùn)行時(shí)再切除掉。3、驅(qū)動(dòng)功率不夠，PWM脈沖失效，中點(diǎn)平衡破壞當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖Vg沒有足夠的值，或者即使達(dá)到了閾值，但持續(xù)的時(shí)間太短，其波形如圖6所示，導(dǎo)致IGBT不能有效的打開，而使IGBT開關(guān)順序破壞,致使中點(diǎn)電壓偏離，最后導(dǎo)致器件過壓保護(hù)，嚴(yán)重時(shí)器件擊穿。分析其原因主要有三:(1)驅(qū)動(dòng)電源本身能力不夠，驅(qū)動(dòng)電壓和尖峰電流都達(dá)不到要求，或者其中之一達(dá)不到要求，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓、電荷不到位;(2)驅(qū)動(dòng)回路延時(shí)過大(電阻或電容過大)，使驅(qū)動(dòng)電壓上升太慢，所需時(shí)間大于最小脈寬時(shí)間，導(dǎo)致IGBT遠(yuǎn)沒有完全打開就執(zhí)行關(guān)斷指令，IGBT沒有實(shí)現(xiàn)開通;(2)驅(qū)動(dòng)電源質(zhì)量不好，電壓本身有波動(dòng)，或者受外部dv/dt和di/dt的干擾，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓本身變化，而使驅(qū)動(dòng)脈沖失效;(3)驅(qū)動(dòng)輸出與IGBT門極連線過長(zhǎng)，且沒有屏蔽，導(dǎo)致電磁干擾在該傳輸線上破壞驅(qū)動(dòng)脈沖，致使驅(qū)動(dòng)失效。圖6 驅(qū)動(dòng)脈沖序列(略)驅(qū)動(dòng)是一種功率放大的過程，驅(qū)動(dòng)信號(hào)將信號(hào)流與能量流有機(jī)結(jié)合。驅(qū)動(dòng)本身亦是一種能量轉(zhuǎn)換過程，一方面驅(qū)動(dòng)本身有一個(gè)能量是否足夠的問題，另一方面有一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間的問題，同時(shí)本身的能源是否可靠也是問題。IGBT是一個(gè)驅(qū)動(dòng)MOS場(chǎng)控型器件，控制的關(guān)鍵是溝道反型。開通時(shí)要求適當(dāng)快，溝道足夠?qū)?，關(guān)斷時(shí)亦要適當(dāng)快、關(guān)閉嚴(yán)。對(duì)于IGBT，關(guān)斷時(shí)電壓Vg可到負(fù)值，以便深度關(guān)斷，同時(shí)起抗干擾作用。另外，IGBT的導(dǎo)通電阻受柵壓調(diào)制，可用于IGBT的過電流保護(hù)。如測(cè)試到一定的過流信號(hào)，立刻把驅(qū)動(dòng)電壓Vg減小一半，使得IGBT通態(tài)電阻增大，抑制電流;當(dāng)過流消失后，再恢復(fù)柵極電壓正常值，若持續(xù)過大電流，則采取相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。主要解決措施有:(1)加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)功率，實(shí)施強(qiáng)驅(qū)動(dòng)，以加快導(dǎo)通區(qū)的橫向擴(kuò)大速率和增加初始導(dǎo)通區(qū)的面積，前沿要陡，以滿足最大驅(qū)動(dòng)電流要求;(2)選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)回路的電阻Rs和電容Cs，使其時(shí)間常數(shù)適中，延時(shí)不大于最小脈寬時(shí)間，同時(shí)又不能太快，以致dv/dt過大;(3)保證驅(qū)動(dòng)電源的質(zhì)量，穩(wěn)壓穩(wěn)流，減小電磁干擾影響;(4)利用IGBT的正導(dǎo)作用，有效實(shí)施調(diào)節(jié)Vg的二次導(dǎo)通功能，以達(dá)到主動(dòng)保護(hù)效果。4、di/dt與dv/dt過大導(dǎo)致器件失效 160kW三電平變頻器中，IGBT開通時(shí)和通態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有時(shí)di/dt毛刺很大，達(dá)到1000A/us，引起IGBT過壓而保護(hù)，PWM失效，中點(diǎn)電壓偏離，變頻器不能工作，嚴(yán)重時(shí)燒壞管子，另外在關(guān)斷時(shí)發(fā)現(xiàn)有時(shí)dv/dt毛刺大，引起IGBT誤導(dǎo)通。該變頻器的di/dt和dv/dt典型試驗(yàn)波形如圖7(a)和(b)所示。圖7 di/dt和dv/dt試驗(yàn)波形(略)di/dt過大，意味著集電極電流上升很快，它將引起束流效應(yīng)，即在IGBT中產(chǎn)生實(shí)際的局部電流密度過高而發(fā)熱，致使局部熱損壞。dv/dt與結(jié)電容CJ構(gòu)成移位電流，相當(dāng)于器件的觸發(fā)信號(hào)，引起α增大，在一定條件下產(chǎn)生誤觸發(fā)，致使IGBT失效。di/dt和dv/dt過大本質(zhì)上都是能量變化太快，如果引導(dǎo)不好，則產(chǎn)生能量過于集中而產(chǎn)生破壞。L和C在電路中都起一個(gè)儲(chǔ)存能量和緩沖變化的作用，各種緩沖吸收及軟開關(guān)電路，均為對(duì)LC在電路回路中的合理應(yīng)用。如果回路中L太小，則電流變化快，IGBT導(dǎo)通面積來不及擴(kuò)展，產(chǎn)生束流效應(yīng)，致使局部過熱損壞;如果回路中C太小，則電壓變化快有可能產(chǎn)生浪涌電流而擊穿器件。有效的改善di/dt和dv/dt過大的有效措施包括:(1)選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率，使di/dt和dv/dt限制在器件的承受范圍內(nèi);(2)盡可能選取耐di/dt和dv/dt髙的開關(guān)器件;(3)采取強(qiáng)、尖脈沖觸發(fā)，前沿一定要陡，使初始導(dǎo)通面積盡可能大;(4)大容量使用中，采用限流飽和電抗器和維持脈沖相結(jié)合的辦法來降低di/dt;(5)外加并聯(lián)電容，以吸收器件內(nèi)的移位電流，減小dv/dt;(6)外加RCD電路，以同時(shí)降低di/dt和dv/dt;(7)增大驅(qū)動(dòng)電路上的時(shí)間常數(shù)，減少開通和關(guān)斷時(shí)間，降低di/dt和dv/dt;(8)小容量變頻器上可在IGBT集電極套磁環(huán)，以減小di/dt。: 回答者：網(wǎng)友

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