光伏逆變器的重點(diǎn)利用——IGBT保護(hù)技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2023-05-08

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光伏逆變器是光伏系統(tǒng)非常重要的一個(gè)設(shè)備，主要作用是把光伏組件發(fā)出來(lái)的直流電變成交流電，除此之外，逆變器還承擔(dān)檢測(cè)組件、電網(wǎng)、電纜運(yùn)行狀態(tài)，和外界通信交流，系統(tǒng)安全管家等重要功能。一款全新逆變器的產(chǎn)出需要兩年多的時(shí)間，前期需要投入大量的人力和物力去研發(fā)和測(cè)試。

IGBT作為功率器件，在逆變器中承擔(dān)著功率變換和能量傳輸?shù)淖饔?，是逆變器的心臟。同時(shí)，IGBT又是逆變器中最不可靠的元器件之一，對(duì)器件的溫度和電流非常敏感，稍有超標(biāo)便會(huì)炸機(jī)且不可修復(fù)。因此IGBT是逆變器的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。

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IGBT保護(hù)技術(shù)在光伏逆變器的核心利用體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)保護(hù)、過(guò)電流/短路保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、機(jī)械故障保護(hù)四個(gè)方面，具體如下。

· 驅(qū)動(dòng)保護(hù) ·

IGBT本身是一個(gè)電流開(kāi)關(guān)的器件，開(kāi)關(guān)多長(zhǎng)時(shí)間是由逆變器的CPU來(lái)控制的，但是DSP輸出是一個(gè)PWM信號(hào)，速度很快，但功率不夠，驅(qū)動(dòng)器最主要的作用是放大PWM信號(hào)。

IGBT控制很大的高頻大電流，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器又和IGBT隔得很近，因此驅(qū)動(dòng)電路要有隔離功能，目前驅(qū)動(dòng)隔離方案有光耦、光纖、脈沖變壓器、磁耦等幾種。

· 過(guò)電流/短路保護(hù) ·

在設(shè)計(jì)IGBT時(shí)，電流一般都會(huì)留有10%以上的裕量。但是，逆變器在工作時(shí)，由于組件、負(fù)載短路，負(fù)載側(cè)故障導(dǎo)致過(guò)流，負(fù)載側(cè)有特別大的感性負(fù)載，啟停時(shí)有很大的諧波電流，這時(shí)候逆變器輸出電流會(huì)急劇上升，導(dǎo)致IGBT的工作電流也會(huì)對(duì)應(yīng)急劇上升。

IGBT短路分為兩種情況：變流器的橋臂內(nèi)發(fā)生直通，稱(chēng)為一類(lèi)短路，變流器短路點(diǎn)發(fā)生在負(fù)載側(cè)，等效短路阻抗較大，稱(chēng)為二類(lèi)短路。二類(lèi)短路一般也可認(rèn)為是逆變器發(fā)生較嚴(yán)重的過(guò)流。

在短路發(fā)生時(shí)刻，如果不采取相關(guān)措施，就會(huì)導(dǎo)致IGBT快速進(jìn)入退飽和，瞬態(tài)功耗超過(guò)限值而損壞，因?yàn)镮GBT承受過(guò)電流的時(shí)間僅為幾微秒。

因此，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，要盡快關(guān)斷IGBT，而且關(guān)斷的速度要平緩，保證電流變化速率在一定范圍，避免關(guān)斷過(guò)快而引起電壓應(yīng)力超過(guò)限值而損壞IGBT，有源鉗位的方案中增加快速響應(yīng)措施，使得IGBT驅(qū)動(dòng)能夠盡快動(dòng)作。

· 過(guò)溫保護(hù) ·

當(dāng)逆變器環(huán)境溫度過(guò)高、逆變器散熱不良，持續(xù)過(guò)熱均會(huì)導(dǎo)致IGBT的損壞。如果器件持續(xù)短路，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，若芯片溫度超過(guò)硅本征溫度（約250℃），器件將失去阻斷能力，柵極控制就無(wú)法保護(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效。

在設(shè)計(jì)時(shí)主要從兩個(gè)方面去考慮：第一，加強(qiáng)完善IGBT管的散熱條件，包括風(fēng)道設(shè)計(jì)、散熱器的設(shè)計(jì)制作，加強(qiáng)制冷等；第二，設(shè)計(jì)過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)電路，用IGBT模塊上內(nèi)置的熱敏電阻來(lái)測(cè)量IGBT散熱溫度，是很準(zhǔn)確的，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，關(guān)斷IGBT使其停止工作。

· 機(jī)械故障保護(hù) ·

為了散熱方便，IGBT都是通過(guò)螺絲連接，安裝在散熱器上，這個(gè)螺絲的連接強(qiáng)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(huì)損壞IGBT；如果力量太輕，在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中，由于振動(dòng)會(huì)造成接觸不良，熱阻增加，器件過(guò)溫?fù)p壞。在安裝IGBT時(shí)，都會(huì)使用專(zhuān)門(mén)的螺絲批，根據(jù)IGBT型號(hào)，采用相應(yīng)的扭力，保證IGBT連接牢固的同時(shí)又不會(huì)被損壞。

IGBT是逆變器中最容易損壞的器件，同時(shí)也是逆變器中最昂貴、最關(guān)鍵的器件。因此為了能夠IGBT能夠更好的被保護(hù),逆變器必須采取較多相對(duì)應(yīng)的保護(hù)措施。