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ABB 5SHX1445H0002 3BHL000387P0101

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眾所周知，IGBT是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會(huì)使它損壞。為此，必須對(duì)IGBT進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。一般我們從過流、過壓、過熱三方面進(jìn)行IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

IGBT承受過電流的時(shí)間僅為幾微秒，耐過流量小，因此使用IGBT首要注意的是過流保護(hù)。那么該如何根據(jù)IGBT的驅(qū)動(dòng)要求設(shè)計(jì)過流保護(hù)呢?

IGBT的過流保護(hù)可分為兩種情況：(1)驅(qū)動(dòng)電路中無保護(hù)功能;(2)驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)有保護(hù)功能。對(duì)于第一種情況，我們可以在主電路中要設(shè)置過流檢測(cè)器件;針對(duì)第二種情況，由于不同型號(hào)的混合驅(qū)動(dòng)模塊，其輸出能力、開關(guān)速度與du/dt的承受能力不同，使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)選用。對(duì)于大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護(hù)則可以通過封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)或者減小柵壓來進(jìn)行保護(hù)。

過壓保護(hù)則可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

●盡可能減少電路中的雜散電感。

●采用吸收回路。吸收回路的作用是;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過電壓。

●適當(dāng)增大柵極電阻Rg。

IGBT的過熱保護(hù)一般是采用散熱器(包括普通散熱器與熱管散熱器)，并可進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。

新舊型對(duì)比
編輯 播報(bào)

在傳統(tǒng)的使用和設(shè)計(jì)IGBT的過程中，基本上都是采用粗放式的設(shè)計(jì)模式，所需余量較大，系統(tǒng)龐大，但仍無法抵抗來自外界的干擾和自身系統(tǒng)引起的各種失效問題。那么該如何突破傳統(tǒng)的IGBT系統(tǒng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)來解決上述問題呢?

傳統(tǒng)保護(hù)模式

防護(hù)方案防止柵極電荷積累及柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞IGBT——可在G極和E極之間設(shè)置一些保護(hù)元件，如圖1的電阻RGE的作用，是使柵極積累電荷泄放(其阻值可取5kΩ);兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1和V2，是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。另外，還有實(shí)現(xiàn)控制電路部分與被驅(qū)動(dòng)的IGBT之間的隔離設(shè)計(jì)，以及設(shè)計(jì)適合柵極的驅(qū)動(dòng)脈沖電路等。然而即使這樣，在實(shí)際使用的工業(yè)環(huán)境中，以上方案仍然具有比較高的產(chǎn)品失效率——有時(shí)甚至?xí)?%。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究表明：這和瞬態(tài)浪涌、靜電及高頻電子干擾有著緊密的關(guān)系，而穩(wěn)壓管在此的響應(yīng)時(shí)間和耐電流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，從而導(dǎo)致IGBT過熱而損壞。 [3]

圖1 傳統(tǒng)保護(hù)模式和新型保護(hù)模式電路對(duì)比

傳統(tǒng)保護(hù)模式和新型保護(hù)模式電路對(duì)比

新型保護(hù)模式

將傳統(tǒng)的穩(wěn)壓管改為新型的瞬態(tài)抑制二極管(TVS)。一般柵極驅(qū)動(dòng)電壓約為15V，可以選型SMBJ15CA。該產(chǎn)品可以通過IEC61000-4-5浪涌測(cè)試10/700US6kV。

TVS反應(yīng)速度極快(達(dá)PS級(jí))，通流能力遠(yuǎn)超穩(wěn)壓二極管(可達(dá)上千安培)，同時(shí)，TVS對(duì)靜電具有非常好的抑制效果。該產(chǎn)品可以通過IEC61000-4-2接觸放電8kV和空氣放電15kV的放電測(cè)試。

將傳統(tǒng)電阻RG變更為正溫度系數(shù)(PPTC)保險(xiǎn)絲。它既具有電阻的效果，又對(duì)溫度比較敏感。當(dāng)內(nèi)部電流增加時(shí)，其阻抗也在增加，從而對(duì)過流具有非常好的抑制效果。

作為電力電子重要大功率主流器件之一，IGBT已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用電器、交通運(yùn)輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用方面，如交通控制、功率變換、工業(yè)電機(jī)、不間斷電源、風(fēng)電與太陽能設(shè)備，以及用于自動(dòng)控制的變頻器。在消費(fèi)電子方面，IGBT用于家用電器、相機(jī)和手機(jī)。

產(chǎn)品市場(chǎng)
編輯 播報(bào)

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求急劇上升曾使得IGBT市場(chǎng)一度被看好。雖然長(zhǎng)期來看，IGBT是一個(gè)值得期待的市場(chǎng)，可是到目前為止IGBT的核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)為大多數(shù)歐美IDM半導(dǎo)體廠商所掌控，中國(guó)在2014年6月成功研制出8寸IGBT專業(yè)芯片，打破國(guó)際壟斷 [5] 。并且隨著各國(guó)政府都將削減可再生能源及交通等領(lǐng)域的支出，IGBT市場(chǎng)能否再度增長(zhǎng)?

根據(jù)最新的調(diào)查報(bào)告顯示，各種IGBT器件和模塊的銷售額在2013年將有一定程度的復(fù)蘇，2014年稍稍減速，待經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇并穩(wěn)定后，從2015年開始將穩(wěn)定增長(zhǎng)。雖然2013年IGBT市場(chǎng)增長(zhǎng)趨勢(shì)有所下降，但隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步，其發(fā)展前景還是十分被看好的。

故障排除人員的專業(yè)知識(shí)在隔離過程中起著關(guān)鍵作用，他們遵循安全有效的程序。故障排除人員通過以下方式隔離原因:

首先查看低維護(hù)項(xiàng)目，并檢查所有方便的可能性以節(jié)省時(shí)間

熟悉有助于故障排除的任何特定模式，如內(nèi)置自檢和診斷

遵守所有現(xiàn)場(chǎng)安全協(xié)議

拆卸前，確保系統(tǒng)斷電并離線

幾乎所有建筑機(jī)械都有操作手冊(cè)和/或設(shè)備日志。許多都有故障診斷清單和指南。這應(yīng)該是故障排除人員的主要信息來源，并有助于消除許多用于消除問題和深入問題原因的“有根據(jù)的猜測(cè)”。一旦原因被隔離到特定部件，就可以進(jìn)行建筑設(shè)備修理。

3.糾正問題的原因

該步驟包括通過執(zhí)行建筑設(shè)備維修或消除問題的活動(dòng)來糾正問題。它還可能涉及調(diào)用臨時(shí)替代設(shè)備或備用設(shè)備，如租費(fèi)或者備用機(jī)。這應(yīng)該是公司整體故障準(zhǔn)備計(jì)劃的一部分。

有時(shí)，建筑設(shè)備維修就像轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)或調(diào)整閥門一樣簡(jiǎn)單，但通常需要更換主要部件，有時(shí)甚至是整個(gè)機(jī)器。為了解決問題，故障排除人員將測(cè)試、分析和重新測(cè)試設(shè)備。至關(guān)重要的是消除問題的原因，而不僅僅是修復(fù)受影響的組件。未能處理實(shí)際原因，例如調(diào)整另一個(gè)組件來補(bǔ)償問題，將總是導(dǎo)致進(jìn)一步的復(fù)雜化和未來的故障。

4.驗(yàn)證問題是否得到解決

測(cè)試部件以確認(rèn)故障原因總是在機(jī)器恢復(fù)使用前進(jìn)行。通常，有必要再次檢查提醒操作員初始故障的相同部件。

這里的目的是證明這個(gè)問題不再存在。而且必須徹底。當(dāng)既有快速程序又有長(zhǎng)程序時(shí)，長(zhǎng)程序更可取，即使它可能需要更多時(shí)間。這有助于確保問題得到糾正，而不是掩蓋另一個(gè)問題，這將重復(fù)故障。

在驗(yàn)證過程中，應(yīng)進(jìn)行以下觀察:

檢查與維修項(xiàng)目相關(guān)的所有儀表、讀數(shù)和物理操作

執(zhí)行制造商建議的流程，以驗(yàn)證部件、系統(tǒng)或整臺(tái)機(jī)器的完整性

使用批準(zhǔn)的程序，建立正常運(yùn)行條件，并在運(yùn)行時(shí)檢查設(shè)備

通過徹底驗(yàn)證設(shè)備的正常運(yùn)行，操作員和故障檢修人員相對(duì)確信問題已被正確解決。為了幫助確保問題不再發(fā)生，通常會(huì)進(jìn)行跟進(jìn)。