在電力電子技術(shù)領(lǐng)域,絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是一種被廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體開關(guān)器件。它結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的輸入阻抗高和雙極型晶體管(BJT)的載流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
然而,IGBT在其工作過程中可能會(huì)遇到多種故障,其中過流和短路是最常見且對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性威脅最大的兩種故障。本文將詳細(xì)分析IGBT過流與短路故障之間的區(qū)別,并通過比較、舉例以及數(shù)據(jù)支持來增強(qiáng)解釋的準(zhǔn)確性和條理性。
首先,讓我們理解IGBT的基本工作原理。IGBT通過施加在門極上的電壓來控制其導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)門極電壓高于閾值電壓時(shí),IGBT導(dǎo)通并允許電流通過;當(dāng)門極電壓低于閾值電壓時(shí),IGBT關(guān)斷并阻止電流流動(dòng)。在理想狀態(tài)下,IGBT能夠在完全導(dǎo)通和完全關(guān)斷之間快速切換,實(shí)現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換。
過流故障是指流過IGBT的電流超過了其設(shè)計(jì)的最大額定電流。這種情況可能是由于外部負(fù)載突然減小或電源電壓異常升高引起的。過流故障不會(huì)立即損壞IGBT,但如果不及時(shí)處理,持續(xù)的過流會(huì)導(dǎo)致器件過熱,進(jìn)而縮短其壽命甚至造成損壞。
短路故障則是指IGBT的集電極和發(fā)射極之間發(fā)生直接的電氣連接,通常是由于外部電路故障或負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路造成的。短路故障會(huì)導(dǎo)致極大的電流瞬間流過IGBT,遠(yuǎn)超過其最大額定電流,這種劇烈的電流峰值會(huì)立即損壞IGBT,甚至可能引發(fā)火災(zāi)或其他安全事故。
過流一般是指由于某種原因引起的 負(fù)載過載 (例如電機(jī)堵轉(zhuǎn)),也有可能是由于軟件控制問題導(dǎo)致的電流發(fā)散、振蕩導(dǎo)致。而短路一般是指橋****臂直通 ,或母線電壓經(jīng)過IGBT的無負(fù)載回路( 相間短路或相對(duì)地短路 )。
過流和短路的保護(hù)方法也有所不同,過流保護(hù)通常會(huì)采用輸出電流傳感器作為檢測(cè)元件,在 控制板上通過硬件或軟件方式實(shí)施保護(hù) ,而短路保護(hù)只能通過硬件進(jìn)行檢測(cè),一般會(huì)集成到IGBT驅(qū)動(dòng)電路上,通過檢測(cè)IGBT的退飽和行為來實(shí)施保護(hù)。
下面我們以工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器為例說明一下常見的短路故障,如圖1所示:
圖1 工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)短路故障
① 橋臂直通: 一個(gè)橋臂的兩個(gè)IGBT同時(shí)開通所導(dǎo)致,這種情況可能是因?yàn)樵馐芰?電磁干擾或控制器故障 ,也有可能是因?yàn)闃虮壑械囊粋€(gè)IGBT故障,而正常的IGBT保持開關(guān)動(dòng)作。
② ** 相對(duì)相短路:** 可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過高或過壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的,也有可能由于 傳輸電纜絕緣損壞 。
③ ** 相對(duì)地短路:** 同樣可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過高或過壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組和電機(jī)外殼之間發(fā)生絕緣擊穿所致,也有可能由于傳輸電纜破損接地。
以上三種故障都可以稱為短路故障,但短路回路阻抗不同 。 如果逆變器輸出電纜較長(zhǎng)且在電纜的末端發(fā)生短路,那短路阻抗相對(duì)很大,這種短路和過流可能沒有太大區(qū)別,也可以通過輸出電流傳感器進(jìn)行短路保護(hù)。
需要說明的是 IGBT發(fā)生橋臂直通短路故障的幾率相對(duì)較小。 因此,在有些低成本應(yīng)用中,IGBT驅(qū)動(dòng)電路并沒有集成短路保護(hù),只有過流保護(hù)。這時(shí)如果負(fù)載側(cè)發(fā)生短路,器件是否能夠被保住,主要取決于 短路回路阻抗的大小以及電流傳感器的響應(yīng)速度 。
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