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所在位置:工控博客苑 -- 誠之慧 -- 一種快速檢測IGBT元件自損壞的方法

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莫先生

     學歷:大學專科
     職稱:工程師
     年齡:37歲
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一種快速檢測IGBT元件自損壞的方法

發表評論(3)   作者:莫光貝    發布時間:2009年10月28日  

    某廠五機架軋機主傳動裝置采用日立公司hivectol-con/vsi-mh系列交-直-交3電平pwm大容量變頻傳動裝置。其中最大容量為8800kva,采用4組igbt單元并聯組成,每個單元中功率元件采用三菱3.3kv/1.2ka大容量igbt。自投運以來,先后發生多起igbt及快熔大面積擊穿燒損的重大故障。例如在2005年12月的一次故障中,一套整流器內的所有12個igbt單元、12個快熔全部燒毀,故障處理時間超過33h,直接經濟損失達131.7萬元,嚴重影響工廠的正常生產。經過檢查分析,發現故障的起因是整流器r相1個igbt元件劣化自損壞引起,而由于原系統igbt脈沖封鎖過程時間過長,造成故障大面積擴大。
      經過改進,投入了一種新的igbt元件自損快速檢測裝置,使檢測判斷、脈沖封鎖等過程時間只需幾十微秒,大大降低了故障擴大化的可能性。工廠多次重復試驗也證明了該方法的有效性。
   
    2 igbt元件保護幾種方法以及優缺點
      由于igbt元件電流、電壓能力的限制,在實際使用的大容量傳動裝置系統中,往往采用多并聯形式。如果發生某個igbt元件擊穿等短路故障時,若不及時快速封鎖igbt脈沖,就可能導致并聯回路中大量igbt損壞,擴大故障范圍。
      在傳動裝置系統中,進、出線主回路一般都設置有霍爾ct,用于檢測主回路電流,并通過主控板的硬件和軟件來處理、判斷過流情況。如果發出重故障跳閘信號,就要快速封鎖脈沖,保護igbt元件。其優點是對負載引起的過流保護效果比較明顯,但缺點是過流檢出到脈沖封鎖的過程時間太長,需要幾個毫秒,而且直流回路的短路也保護不了(實際系統中沒有直流回路電流檢測ct)。因此,僅靠該保護方式顯然不能滿足igbt保護的實際要求。
      為此,還必須采取其它的快速檢測方法。目前常用的方法有以下幾種:
    (1)igbt vce電壓監測法
      這是比較常用的方法。利用集電極電流ic升高時vge或vce也會升高的這一現象,當vge或vce超過設定允許值時,輸出信號去封鎖igbt的脈沖。由于vge在發生故障時變化較小,難以掌握,一般較少使用。而vce的變化較大,因此實際中一般常常采用vce監測法來對igbt進行保護。這種方法的優點是檢測靈敏,動作迅速,有效地避免了并聯回路igbt大面積損壞。但這種方法的缺點也比較明顯:需要配線,將每個igbt的集電極與發射極之間的電壓信號引入脈沖驅動板。另外由于igbt關斷時,集電極與發射極之間的電壓比較高,需要增加脈沖放大板相應的絕緣與電位隔離措施。圖1是利用檢測集電極與發射極之間電壓vce對igbt進行保護的一個例子。
   
   
   
   
   
    圖1 vce電壓監測以及保護的原理
    (2)igbt門極電壓fb監控法
      通過監控igbt元件的門極電壓vge來判斷igbt元件是否損壞。如果判斷出igbt元件損壞,立即快速封鎖傳動裝置中的所有igbt元件,其原理如圖2所示。這種方法的優點是結構簡單,比較實用。缺點是只有當某個igbt損壞時才能判斷出,對一般的過流不起作用。而且,由于igbt損壞短路時,因為放大板上電容的作用,門極電壓vce變化緩慢,一般需要經過1ms左右的延遲才能正確判斷和封鎖脈沖,如圖3所示。在這期間,并聯回路大量igbt就可能受到損害,擴大了故障范圍。
   
   
   
   
   
    圖2 門極電壓檢測以及保護原理圖
   
   
   
   
   
    圖3 igbt損壞時門極電壓變化及檢出
   
    3 一種新型igbt元件自損快速檢測法(即門極電流ig檢測法)
      當igbt元件損壞時,門極與發射極之間也被擊穿,但由于結電容的作用,門極電壓變化緩慢。但根據電路理論i=cdu/dt可知,門極電流ig變化比門極電壓vge快得多。因此,可以綜合igbt的門極脈沖指令與門極電流來準確、快速地判斷igbt是否損壞。一旦檢測到某個igbt損壞,立即封鎖igbt脈沖指令,能完全避免并聯回路大量igbt損壞,不會擴大故障范圍。具體原理圖如圖4所示。
   
   
   
   
   
    圖4 門極電流檢測以及保護原理圖
      igbt元件正常時,當門極電壓給定信號從on切換成off后,igbt門極電流ig數值比較小,具體數值與igbt元件有關,我們已經掌握了三菱3.3kv/1.2ka大容量igbt的電流數值以及延時時間。igbt損壞時門極電流變化以及檢出如圖5所示。當檢測出igbt有異常時,立即發出脈沖封鎖命令,防止故障擴大化。
   
      該方式的優點是檢測、封鎖時間極短,只有幾個微秒,能完全避免igbt大面積損壞。缺點是在igbt導通工作時,無法判斷其是否異常,只有在igbt off指令發出時才可以判斷igbt是否自損壞。
   
   
   
   
   
    圖5 igbt損壞時門極電流變化以及檢出
   
    4 現場改造及效果
      原來現場變頻器中采用的是門極電壓fb監控法。由于脈沖封鎖無法快速及時,在某個igbt損壞時造成其它igbt大面積損壞,故障損失慘重,必須對現場進行技術改造。
      如果采用vce電壓監測法對igbt過電流進行保護,雖然比較成熟和常用,但需要對原變頻器大動干戈,主回路要增加很多接線,脈沖放大板的改動量也較大。同時由于原變頻器沒有太多空間來布線及采取絕緣措施,無論從改造工作量和成本上都不太可行。所以vce電壓監測法不適合采用。
      采用門極電流ig檢測法就方便、簡單許多。只要在原變頻器igbt保護功能的基礎上進行局部改造,增加igbt門極電流檢測功能即可。這樣一旦門極導通電流超過設定值,且經過x微秒左右的延時后,門極電流仍然超過設定值,就判斷該igbt損壞或異常,立刻發出所有igbt脈沖封鎖指令,及時進行有效保護,防止大面積igbt損壞。
   
   
   
   
   
    圖6 改造后的保護原理圖
   
      圖6為改造后的保護原理圖,其中灰色部分是新增的門極電流ig檢測功能部分。
   
    5 結束語
      從2006年5月到2006年10月,將這種快速檢測igbt元件自損壞的方法對所有主傳動系統進行分期分批改造,改造后效果良好,設備運行穩定,再沒有出現igbt與快熔大面積損壞的現象。
   
 

 評論僅代表評論人個人看法,不表明博客主人及中國工控網同意其觀點或其描述 共3條評論  共1頁  第1頁  

 評論人署名:mcllht 評論時間:2010-4-19 17:34:00

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    好 頂了
 評論人署名:beyond1212 評論時間:2011-4-6 21:31:00

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    值得學習 值得學習 值得學習
 評論人署名:陳金峰 評論時間:2012-8-24 15:12:00

我要發表評論 

    值得學習 值得學習 謝謝了

共3條評論 共1頁  第1頁  

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