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IGBT保護技術在光伏逆變器的應用

佳恩半導體 ? 來源:佳恩半導體 ? 作者:佳恩半導體 ? 2022-03-31 15:06 ? 次閱讀

光伏逆變器是光伏系統非常重要的一個設備,主要作用是把光伏組件發出來的直流電變成交流電,除此之外,逆變器還承擔檢測組件、電網、電纜運行狀態,和外界通信交流,系統安全管家等重要功能。一款全新逆變器的產出需要兩年多的時間,前期需要投入大量的人力和物力去研發和測試。

IGBT作為功率器件,在逆變器中承擔著功率變換和能量傳輸的作用,是逆變器的心臟。同時,IGBT又是逆變器中最不可靠的元器件之一,對器件的溫度和電流非常敏感,稍有超標便會炸機且不可修復。因此IGBT是逆變器的重點保護對象。

IGBT保護技術在光伏逆變器的核心利用體現在驅動保護、過電流/短路保護、過溫保護、機械故障保護四個方面,具體如下。

1、驅動保護

IGBT本身是一個電流開關的器件,開關多長時間是由逆變器的CPU來控制的,但是DSP輸出是一個PWM信號,速度很快,但功率不夠,驅動器最主要的作用是放大PWM信號。

IGBT控制很大的高頻大電流,會產生電磁干擾信號,驅動器又和IGBT隔得很近,因此驅動電路要有隔離功能,目前驅動隔離方案有光耦、光纖、脈沖變壓器、磁耦等幾種。

2、過電流/短路保護

在設計IGBT時,電流一般都會留有10%以上的裕量。但是,逆變器在工作時,由于組件、負載短路,負載側故障導致過流,負載側有特別大的感性負載,啟停時有很大的諧波電流,這時候逆變器輸出電流會急劇上升,導致IGBT的工作電流也會對應急劇上升。

IGBT短路分為兩種情況:變流器的橋臂內發生直通,稱為一類短路,變流器短路點發生在負載側,等效短路阻抗較大,稱為二類短路。二類短路一般也可認為是逆變器發生較嚴重的過流。在短路發生時刻,如果不采取相關措施,就會導致IGBT快速進入退飽和,瞬態功耗超過限值而損壞,因為IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒。因此,當短路發生時,要盡快關斷IGBT,而且關斷的速度要平緩,保證電流變化速率在一定范圍,避免關斷過快而引起電壓應力超過限值而損壞IGBT,有源鉗位的方案中增加快速響應措施,使得IGBT驅動能夠盡快動作。

3、過溫保護

當逆變器環境溫度過高、逆變器散熱不良,持續過熱均會導使IGBT的損壞。如果器件持續短路,大電流產生的功耗將引起溫升,若芯片溫度超過硅本征溫度(約250℃),器件將失去阻斷能力,柵極控制就無法保護,從而導致IGBT失效。

在設計時主要從兩個方面去考慮:第一,加強完善IGBT管的散熱條件,包括風道設計、散熱器的設計制作,加強制冷等;第二,設計過熱檢測保護電路,用IGBT模塊上內置的熱敏電阻來測量IGBT散熱溫度,是很準確的,當溫度超過設定值時,關斷IGBT使其停止工作。

4、機械故障保護

為了散熱方便,IGBT都是通過螺絲連接,安裝在散熱器上,這個螺絲的連接強度要恰到好處,既不能力量太大,也不能力量太輕。如果力量太大,會損壞IGBT;如果力量太輕,在運輸和安裝過程中,由于振動會造成接觸不良,熱阻增加,器件過溫損壞。在安裝IGBT時,都會使用專門的螺絲批,根據IGBT型號,采用相應的扭力,保證IGBT連接牢固的同時又不會被損壞。

IGBT是逆變器中最容易損壞的器件,同時也是逆變器中最昂貴、最關鍵的器件。因此為了能夠IGBT能夠更好的被保護,逆變器必須采取較多相對應的保護措施。

審核編輯:湯梓紅

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