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變頻器開(kāi)機運行怎么防止IGBT炸機

時(shí)間：2022-04-14    作者：津信變頻    點(diǎn)擊：次

        大家都知道，IGBT單管相當的脆弱，同樣電流容量的IGBT單管，比同樣電流容量的MOSFET脆弱多了，也就是說(shuō)，在變頻器H橋里頭，MOSFET上去沒(méi)有問(wèn)題，但是IGBT上去，可能開(kāi)機帶載就炸了。這一點(diǎn)很多人估計都深有體會(huì )。

        也許有的朋友會(huì )認為一個(gè)IRFP460，20A/500V的MOSFET，再加上SGH40N60UFD 40A/600V的IGBT應該足以防止爆炸的發(fā)生，但實(shí)際情況卻是，帶載之后突然加負載和撤銷(xiāo)負載，很可能就炸機了。通過(guò)不斷的實(shí)踐后發(fā)現，其實(shí)只要遵循特定的規律，完全可以防止炸機的發(fā)生。就是采用峰值電流保護的措施就能讓IGBT不會(huì )炸。

       我們將這個(gè)問(wèn)題看出幾個(gè)部分來(lái)解決：
1，驅動(dòng)電路;
2，電流采集電流;
3，保護機制;

一、驅動(dòng)電路
        這次采用的IGBT為IXYS的，IXGH48N60B3D1，詳細規格書(shū)如下：IXGH48N60B3D1
        驅動(dòng)電路如下：
圖片
       這是一個(gè)非常典型的應用電路，完全可以用于IGBT或者M(jìn)OSFET，但是也有些不一樣的地方。
      1，有負壓產(chǎn)生電路，
      2，隔離驅動(dòng)，
      3，單獨電源供電。
       首先我們來(lái)總體看看，這個(gè)電路沒(méi)有保護，用在逆變上100%炸，但是我們可以將這個(gè)電路的實(shí)質(zhì)摸清楚。

先講講重點(diǎn)：
       1：驅動(dòng)電阻R2，這個(gè)在驅動(dòng)里頭非常重要，圖上還有D1配合關(guān)閉的時(shí)候，讓IGBT的CGE快速的放電，實(shí)際上看需要，這個(gè)D1也可以不要，也可以在D1回路里頭串聯(lián)一個(gè)電阻做0FF關(guān)閉時(shí)候的柵極電阻。
       下面發(fā)幾個(gè)波形照片，不同的柵極電阻，和高壓HV+400V共同產(chǎn)生作用的時(shí)候，上下2個(gè)IGBT柵極的實(shí)際情況。
 
圖片
       上面的圖，是在取消負壓的時(shí)候，上下2管之間的柵極波形，柵極電阻都是在10R情況下。
       上面的圖是在不加DC400V情況下測量2管G極波形，下圖是在DC400V情況下，2管的柵極波形。
       為何第二個(gè)圖會(huì )有一個(gè)尖峰呢。這個(gè)要從IGBT的內部情況說(shuō)起，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，IGBT的GE上有一個(gè)寄生的電容，它和另外的CGC一個(gè)寄生電容共同組成一個(gè)水池子，那就是QG，其實(shí)這個(gè)和MOSFET也很像的。
       那么在來(lái)看看為何400V加上去，就會(huì )在下管上的G級上產(chǎn)生尖峰。借花獻佛，抓個(gè)圖片來(lái)說(shuō)明：
圖片
       如上圖所示，當上官開(kāi)通的時(shí)候，此時(shí)是截止的，由于上官開(kāi)通的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候要引入DV/DT的概念，這個(gè)比較抽象，先不管它，簡(jiǎn)單通俗的說(shuō)就是上管開(kāi)通的時(shí)候，上管等效為直通了，+DC400V電壓立馬加入到下管的C級上，這么高的電壓立刻從IGBT的寄生電容上通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)感應電流，這個(gè)感應電流上圖有公式計算，這個(gè)電流在RG電阻和驅動(dòng)內阻的共同作用下，在下管的柵極上構成一個(gè)尖峰電壓，如上面那個(gè)示波器的截圖所示。到目前為止，沒(méi)有引入米勒電容的概念，理解了這些，然后對著(zhù)規格書(shū)一看，米勒電容是什么，對電路有何影響，就容易理解多了。

       這個(gè)尖峰有許多壞處，從上面示波器截圖可以看出來(lái)，在尖峰時(shí)刻，下管實(shí)際上已經(jīng)到7V電壓了，也就是說(shuō)，在尖峰的這個(gè)時(shí)間段內，上下2個(gè)管子是共同導通的。下管的導通時(shí)間短，但是由于有TON的時(shí)間關(guān)系在里面，所以這個(gè)電流不會(huì )太大。管子不會(huì )炸，但是會(huì )發(fā)熱，隨著(zhù)傳輸的功率越大，這個(gè)情況會(huì )更加嚴重，大大影響效率。
 
二、電流采集電路
       說(shuō)到這一步，就是離保護不遠了，我的經(jīng)驗就是電流采集速度要很快，這樣才能在過(guò)流或短路的時(shí)候迅速告訴后面的電路->，這里出問(wèn)題了。讓IGBT迅速安全的關(guān)閉。

       這個(gè)電路該如何實(shí)現呢？對于逆變電路，我們可以直接用電阻采樣，也可以用VCE管壓降探測方式。管壓降探測這個(gè)論壇里有多次討論出現過(guò)，但是都沒(méi)有一個(gè)真正能用，真正實(shí)際應用過(guò)，測試過(guò)的電路（專(zhuān)用驅動(dòng)芯片例外），這是因為每種實(shí)際應用的參數大不一樣，比如IGBT參數不同，需要調整的參數很多，需要一定的經(jīng)驗做調整。

        我們可以從最簡(jiǎn)單的方式入手，采用電阻檢測這個(gè)電流，短路來(lái)了，可以在電阻上產(chǎn)生壓降，用比較器和這個(gè)電壓進(jìn)行比較，得出最終是否有過(guò)流或者短路信號。

        用這個(gè)圖就可以了，因為原理非常簡(jiǎn)單，就一個(gè)比較的作用，大家實(shí)現起來(lái)會(huì )非常容易，沒(méi)有多少參數可以調整的。
 
圖片

      上圖是采樣H橋對地的電流，舉個(gè)例子：如果IGBT是40A，我們可以采取2倍左右的峰值電流，也就是80A，對應上圖，RS為0.01R,如果流入超過(guò)80A脈沖電流那么在該電阻上產(chǎn)生0.01R*80A=0.8V電壓，此電壓經(jīng)過(guò)R11，C11消隱之后到比較器的+端，與來(lái)自-端的基準電壓相比較，圖上的-端參考電阻設置不對，實(shí)際中請另外計算，本例可以分別采用5.1K和1K電阻分壓變成0.81V左右到-端，此時(shí)如果采樣電阻RS上的電壓超過(guò)0.8V以上，比較器立即翻轉，輸出SD 5V電平到外部的電路中。這個(gè)變化的電平信號就是我們后面接下來(lái)需要使用的是否短路過(guò)流的信號了。

      有了這個(gè)信號了，那我們如何關(guān)閉IGBT呢？我們可以看情形是否采取軟關(guān)閉，也可以采取直接硬關(guān)閉。
      采取軟關(guān)閉，可以有效防止在關(guān)閉的瞬間造成電路的電壓升高的情況，關(guān)閉特性非常軟，很溫柔，非常適合于高壓大功率的驅動(dòng)電路。
      如果采取硬關(guān)閉，可能會(huì )造成高壓DC上的電壓過(guò)沖，比如第一圖中的DC400V高壓可能變成瞬間變成DC600V也說(shuō)不定，當時(shí)我看一些資料上的記載的時(shí)候，非常難以理解：關(guān)就關(guān)了嘛，高壓難道還自己升上去了？實(shí)際情況卻是真實(shí)存在的。

      如果大家難以理解，可以做個(gè)試驗，家里有水塔的，最清楚，水塔在很高的樓上，水龍頭在一樓，打開(kāi)水龍頭，水留下來(lái)了，然后用極快的速度關(guān)閉這個(gè)水龍頭，你會(huì )聽(tīng)到水管子有響聲，連水管子都會(huì )要震動(dòng)一下（不知道說(shuō)的對不對，請高手指正，在此引入水龍頭這個(gè)例子還得感謝我讀書(shū)的時(shí)候，老師看我們太笨了，講三極管特性原理的時(shí)候打的比喻，在此我要感謝他），IGBT在橋電路的原理同樣如此。在IGBT嚴重短路的時(shí)候，如果立馬硬關(guān)閉IGBT，輕則只是會(huì )在母線(xiàn)上造成過(guò)沖的感應電壓（至于為何會(huì )過(guò)沖可以查相關(guān)資料，很多資料都說(shuō)到了），管子能抗過(guò)去，比如你在直流高壓母線(xiàn)上并聯(lián)了非常好的吸收電容，有多重吸收電路等等……

      重則，管子關(guān)閉的時(shí)候會(huì )失效，關(guān)了也沒(méi)有用，IGBT還是會(huì )被過(guò)沖電壓擊穿短路，而且這個(gè)短路是沒(méi)有辦法恢復的，會(huì )立即損壞非常多的電路。有時(shí)候沒(méi)有過(guò)壓也能引起這種現象，這個(gè)失效的原理具體模型本人未知，但是可以想象的是可能是由于管子相關(guān)的其他寄生電容和米勒電容共同引起失效的，或者是由于在過(guò)流，短路信號發(fā)生時(shí)候，IGBT已經(jīng)發(fā)生了擎柱效應就算去關(guān)，關(guān)也關(guān)不死了。

      還有第三種方式，是叫做：二級關(guān)閉，這種方式簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是檢測到了短路，過(guò)流信號，PWM此時(shí)這個(gè)脈沖并沒(méi)有打算軟關(guān)閉或直接關(guān)閉，而是立即將此時(shí)刻對應的VGE驅動(dòng)脈沖電壓降低到8V左右以此來(lái)判斷是否還是在過(guò)流或短路區域，如果還是，繼續沿用這個(gè)8V的驅動(dòng)，一直到設定的時(shí)間，比如多個(gè)個(gè)us還是這樣就會(huì )立即關(guān)了，如果是，PWM將會(huì )恢復正常。這種方式一般可能見(jiàn)到不多，所以我們不做深入研究。

      理解了這些，我們可以看情況來(lái)具體采用那些關(guān)閉的方式，一般在2KW級別中，DC380V內，直接采取硬關(guān)閉已經(jīng)可以滿(mǎn)足要求了，只需要在H橋上并聯(lián)吸收特性良好的一個(gè)電容，就可以用600V的IGBT了。

      關(guān)鍵的一點(diǎn)就是檢測時(shí)候要快速，檢測之后要關(guān)閉快速，只有做到了快，IGBT就不會(huì )燒。

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