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通用变频器的IGBT中的影响因素
我的变频器的通用的,故障显示中显示的是IGBT那一项受到干扰,我想问一下影响IGBT的因素有什么?通过什么方法解决?
问
提问者:网友
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2017-06-08
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IGBT典型失效现象及分析1、温度上升对IGBT参数的影响 温度上升包含两个意思:一是IGBT中的电磁场能量转化为热能,主要由于器件中的电阻热效应;一是器件发热与外部冷却之间的相互作用,发生的热量如果不能及时散发出去,即散发能力不够,则使温度上升。温度上升,IGBT中的两个晶体管的放大系数α1和α2均增大,该两个晶体管构成一个寄生晶闸管。借助于IGBT等效电路图(图3),开通过程为:当给栅极加压Vg,产生Ig,则MOSFET开通,产生I1,I1为PNP的基极电流,开通PNP,产生I2,I2为NPN提供基极电流,产生I3,使整个IGBT全面开通。I1、I2和I3构成IGBT开通后的全部电流,其中I2为主要部分。当温度上升,α1和α2上升,使α1+α2→1,将使寄生晶闸管出现“闭锁效应”,而使IGBT一直导通,即使Vg去掉,I1=0,由于该闭锁效应,PNPN导通,开关失效。因此,温度上升, 增加,使得重复开断的通态电流下降。图4为SKM600GB126D 型IGBT的通态电流IC随温度变化的曲线【5】。从图中可以看到,随温度升高,电流下降,且在800C之后,电流下降非常迅速。图4 IGBT(SKM600GB126D)温度-电流曲线(略) 在一台实际的160kW三电平变频器中,温升试验中发生的IGBT失效现象说明该问题:该变频器所选的IGBT型号为SKM600GB126D,工频下重复可关断电流为600A。该变频器起动后,带满载运行,额定电流为315A。起动稳定后的50分钟运行一切正常,随着运行时间的增加,IGBT壳温从300C上升到1200C,装置发生过流保护。分析其原因:当IGBT壳温达到1200C以后,最大重复可关断电流值发生变化(约为250A),驱动开关发生失效,直流母排中点电压平衡破坏,造成直通过流,器件保护。一般解决该问题的主要措施有: (1)减小器件的发热,选择适当的IGBT参数;(2)加强散热,主要从冷却结构和方式中寻找最优结构和方式;(3)降低开关频率,在开关频率为1k以上,开关损耗超过总损耗的一半;(4)缩短开通和关断时间,也是为了减小开关损耗,但要注意,di/dt和 dv/dt的升高,引起另外的器件失效机理;(5)降低谐波分量。谐波分量不转化为有功,但增加器件内部电阻损耗。2、输入电压升高,开关器件保护,PWM脉冲失效,中点电压平衡破坏 仍以上面的160kW、380V低压三电平变频器为例,其调制采用SVPWM方法,开环VVVF控制,驱动一台160kW的异步电机。当输入电压为300V以下时,起动运行都没有问题,中点电压平衡很好。但输入电压升至350V或者380V时,则电机起动不起来,IGBT发生保护,中点电压偏离,严重时烧坏器件。事实上,当起动电机时,电机速度为零。电机反电势为零,其等效电路图如图5所示。其中R为回路电阻,L1为回路漏电感,Lr为电机电枢电感(可变,与电机反电势相对应),V为电源。Lr为零,而R与L1很小,此时回路电流基本为短路电流,数值很大,且该数值取决于电源电压。输入电源电压越高,则短路电流越大。该大电流使得di/dt、dv/dt均增大,直至超过IGBT的承受值,使得IGBT保护,驱动脉冲失效,打破了中点平衡开关序列规律,而使中点电压发生偏离。从能量的角度来看,此时输出的机械能受阻,输入电磁能在变频器内部吸收,尤其在IGBT内部转化,轻则使得器件保护,重则器件烧坏。此时电磁能与机械能转化不合理,电流中的有功和无功分量不合理。图5 变频调速系统等效电路图(略)有效的解决方法主要包括:(1)增加有效预励磁,减小起动电流,提高启动转矩,使电流有功分量和无功分量分配合理;(2)设定低频启动,延长起动时间,使得di/dt和dv/dt降低;(3)减小v/f补偿值,适当减小占空比,起动力矩也随之有效减小;(4)在母排上加一起动限流器,以减小di/dt,正常运行时再切除掉。3、驱动功率不够,PWM脉冲失效,中点平衡破坏 当驱动电压脉冲Vg没有足够的值,或者即使达到了阈值,但持续的时间太短,其波形如图6所示,导致IGBT不能有效的打开,而使IGBT开关顺序破坏,致使中点电压偏离,最后导致器件过压保护,严重时器件击穿。分析其原因主要有三:(1)驱动电源本身能力不够,驱动电压和尖峰电流都达不到要求,或者其中之一达不到要求,导致驱动电压、电荷不到位;(2)驱动回路延时过大(电阻或电容过大),使驱动电压上升太慢,所需时间大于最小脉宽时间,导致IGBT远没有完全打开就执行关断指令,IGBT没有实现开通;(2)驱动电源质量不好,电压本身有波动,或者受外部dv/dt和di/dt的干扰,导致驱动电压本身变化,而使驱动脉冲失效;(3)驱动输出与IGBT门极连线过长,且没有屏蔽,导致电磁干扰在该传输线上破坏驱动脉冲,致使驱动失效。图6 驱动脉冲序列(略)驱动是一种功率放大的过程,驱动信号将信号流与能量流有机结合。驱动本身亦是一种能量转换过程,一方面驱动本身有一个能量是否足够的问题,另一方面有一个转换时间的问题,同时本身的能源是否可靠也是问题。IGBT是一个驱动MOS场控型器件,控制的关键是沟道反型。开通时要求适当快,沟道足够宽,关断时亦要适当快、关闭严。对于IGBT,关断时电压Vg可到负值,以便深度关断,同时起抗干扰作用。另外,IGBT的导通电阻受栅压调制,可用于IGBT的过电流保护。如测试到一定的过流信号,立刻把驱动电压Vg减小一半,使得IGBT通态电阻增大,抑制电流;当过流消失后,再恢复栅极电压正常值,若持续过大电流,则采取相应保护动作。主要解决措施有:(1)加强驱动功率,实施强驱动,以加快导通区的横向扩大速率和增加初始导通区的面积,前沿要陡,以满足最大驱动电流要求;(2)选择适当的驱动回路的电阻Rs和电容Cs,使其时间常数适中,延时不大于最小脉宽时间,同时又不能太快,以致dv/dt过大;(3)保证驱动电源的质量,稳压稳流,减小电磁干扰影响;(4)利用IGBT的正导作用,有效实施调节Vg的二次导通功能,以达到主动保护效果。4、di/dt与dv/dt过大导致器件失效 160kW三电平变频器中,IGBT开通时和通态时,发现有时di/dt毛刺很大,达到1000A/us,引起IGBT过压而保护,PWM失效,中点电压偏离,变频器不能工作,严重时烧坏管子,另外在关断时发现有时dv/dt毛刺大,引起IGBT误导通。该变频器的di/dt和dv/dt典型试验波形如图7(a)和(b)所示。图7 di/dt和dv/dt试验波形(略)di/dt过大,意味着集电极电流上升很快,它将引起束流效应,即在IGBT中产生实际的局部电流密度过高而发热,致使局部热损坏。dv/dt与结电容CJ构成移位电流,相当于器件的触发信号,引起α增大,在一定条件下产生误触发,致使IGBT失效。di/dt和dv/dt过大本质上都是能量变化太快,如果引导不好,则产生能量过于集中而产生破坏。L和C在电路中都起一个储存能量和缓冲变化的作用,各种缓冲吸收及软开关电路,均为对LC在电路回路中的合理应用。如果回路中L太小,则电流变化快,IGBT导通面积来不及扩展,产生束流效应,致使局部过热损坏;如果回路中C太小,则电压变化快有可能产生浪涌电流而击穿器件。有效的改善di/dt和dv/dt过大的有效措施包括:(1)选择适当的开关频率,使di/dt和dv/dt限制在器件的承受范围内;(2)尽可能选取耐di/dt和dv/dt髙的开关器件;(3)采取强、尖脉冲触发,前沿一定要陡,使初始导通面积尽可能大;(4)大容量使用中,采用限流饱和电抗器和维持脉冲相结合的办法来降低di/dt;(5)外加并联电容,以吸收器件内的移位电流,减小dv/dt;(6)外加RCD电路,以同时降低di/dt和dv/dt;(7)增大驱动电路上的时间常数,减少开通和关断时间,降低di/dt和dv/dt;(8)小容量变频器上可在IGBT集电极套磁环,以减小di/dt。
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