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ABB 5SHY3545L0014 3BHE023784

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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、導通電阻小等特點，被廣泛應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)意外就會使它損壞。為此，必須對IGBT進行相關(guān)保護。一般我們從過流、過壓、過熱三方面進行IGBT保護電路設計。

IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒，耐過流量小，因此使用IGBT首要注意的是過流保護。那么該如何根據(jù)IGBT的驅(qū)動要求設計過流保護呢?

IGBT的過流保護可分為兩種情況：(1)驅(qū)動電路中無保護功能;(2)驅(qū)動電路中設有保護功能。對于第一種情況，我們可以在主電路中要設置過流檢測器件;針對第二種情況，由于不同型號的混合驅(qū)動模塊，其輸出能力、開關(guān)速度與du/dt的承受能力不同，使用時要根據(jù)實際情況恰當選用。對于大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護則可以通過封鎖驅(qū)動信號或者減小柵壓來進行保護。

過壓保護則可以從以下幾個方面進行：

●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IGBT關(guān)斷時，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過電壓。

●適當增大柵極電阻Rg。

IGBT的過熱保護一般是采用散熱器(包括普通散熱器與熱管散熱器)，并可進行強迫風冷。

新舊型對比
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在傳統(tǒng)的使用和設計IGBT的過程中，基本上都是采用粗放式的設計模式，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)電路保護設計來解決上述問題呢?

傳統(tǒng)保護模式

防護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極之間設置一些保護元件，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，還有實現(xiàn)控制電路部分與被驅(qū)動的IGBT之間的隔離設計，以及設計適合柵極的驅(qū)動脈沖電路等。然而即使這樣，在實際使用的工業(yè)環(huán)境中，以上方案仍然具有比較高的產(chǎn)品失效率——有時甚至會超出5%。相關(guān)的實驗數(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)壓管在此的響應時間和耐電流能力遠遠不足，從而導致IGBT過熱而損壞。 [3]

圖1 傳統(tǒng)保護模式和新型保護模式電路對比

傳統(tǒng)保護模式和新型保護模式電路對比

新型保護模式

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)動電壓約為15V，可以選型SMBJ15CA。該產(chǎn)品可以通過IEC61000-4-5浪涌測試10/700US6kV。

TVS反應速度極快(達PS級)，通流能力遠超穩(wěn)壓二極管(可達上千安培)，同時，TVS對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的放電測試。

將傳統(tǒng)電阻RG變更為正溫度系數(shù)(PPTC)保險絲。它既具有電阻的效果，又對溫度比較敏感。當內(nèi)部電流增加時，其阻抗也在增加，從而對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)廣泛應用于家用電器、交通運輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。在工業(yè)應用方面，如交通控制、功率變換、工業(yè)電機、不間斷電源、風電與太陽能設備，以及用于自動控制的變頻器。在消費電子方面，IGBT用于家用電器、相機和手機。

產(chǎn)品市場
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國內(nèi)市場需求急劇上升曾使得IGBT市場一度被看好。雖然長期來看，IGBT是一個值得期待的市場，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半導體廠商所掌控，中國在2014年6月成功研制出8寸IGBT專業(yè)芯片，打破國際壟斷 [5] 。并且隨著各國政府都將削減可再生能源及交通等領(lǐng)域的支出，IGBT市場能否再度增長?

根據(jù)最新的調(diào)查報告顯示，各種IGBT器件和模塊的銷售額在2013年將有一定程度的復蘇，2014年稍稍減速，待經(jīng)濟復蘇并穩(wěn)定后，從2015年開始將穩(wěn)定增長。雖然2013年IGBT市場增長趨勢有所下降，但隨著國內(nèi)技術(shù)的進步，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:

首先查看低維護項目，并檢查所有方便的可能性以節(jié)省時間

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

幾乎所有建筑機械都有操作手冊和/或設備日志。許多都有故障診斷清單和指南。這應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”。一旦原因被隔離到特定部件，就可以進行建筑設備修理。

3.糾正問題的原因

該步驟包括通過執(zhí)行建筑設備維修或消除問題的活動來糾正問題。它還可能涉及調(diào)用臨時替代設備或備用設備，如租費或者備用機。這應該是公司整體故障準備計劃的一部分。

有時，建筑設備維修就像轉(zhuǎn)動開關(guān)或調(diào)整閥門一樣簡單，但通常需要更換主要部件，有時甚至是整個機器。為了解決問題，故障排除人員將測試、分析和重新測試設備。至關(guān)重要的是消除問題的原因，而不僅僅是修復受影響的組件。未能處理實際原因，例如調(diào)整另一個組件來補償問題，將總是導致進一步的復雜化和未來的故障。

4.驗證問題是否得到解決

測試部件以確認故障原因總是在機器恢復使用前進行。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問題不再存在。而且必須徹底。當既有快速程序又有長程序時，長程序更可取，即使它可能需要更多時間。這有助于確保問題得到糾正，而不是掩蓋另一個問題，這將重復故障。

在驗證過程中，應進行以下觀察:

檢查與維修項目相關(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，以驗證部件、系統(tǒng)或整臺機器的完整性

使用批準的程序，建立正常運行條件，并在運行時檢查設備

通過徹底驗證設備的正常運行，操作員和故障檢修人員相對確信問題已被正確解決。為了幫助確保問題不再發(fā)生，通常會進行跟進。