变频器中的IGBT表示啥意思

IGBT是变频器逆变器中的器件.具体它表示啥意思

IGBT:Isolation Gate Bipolar Transistor
绝缘栅双极晶体管

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。