IGBT损坏原因分析及预防措施
上汽依维柯红岩商用车有限公司铸二车间 阴文明 400900
摘要：我厂使用的一拖二中频炉是由西安机电研究所生产的。本文重点介绍了中频炉原理（用IGBT做逆变器件）以及IGBT损坏的原因和预防措施，现场使用过程中存在的问题及解决方案
关键词：IGBT；中频电源；过流保护；预防措施
一 中频电源的原理
1 整流和直流滤波
整流器采用不控制的二极管整流器，大容量的水冷电容器滤波，得到固定平滑的直流电源，向后面的两套逆变器供电。二极管整流器始终工作在全道通状态，从而使中频电源的电网侧功率因数始终接近于1。
2 IGBT串联逆变器
逆变器采用半桥串联形式，用IGBT做逆变器件。IGBT（绝缘栅型双极晶体管）是一种新型电力半导体器件，IGBT通常以模块的形式封装。一个模块内包括一个IGBT元件和一个反向并联的二极管元件。IGBT元件可以由门极电压控制其导通和关断，在任何情况下只要其门极没有电压，IGBT元件就被关断。在实际使用中，为了可靠的关断IGBT模块，通常在其门极加上一定的负电压。
IGBT中频电源是采用导通宽度及频率来实现对输出功率进行无级调节的，且采用串联谐振，无需加启动电路及前级调压装置，因此启动相当方便，启动成功率百分之百，调节输出功率极为方便。
二 IGBT损坏的原因
有三种可能会导致IGBT烧坏。
（1）过电压
当IGBT器件关断时或关断后，如果器件上的电压超过了其允许的最高电压，则会使IGBT过电压击穿，造成烧坏。
（2）过电流
当通过每个IGBT器件的电流超过了它允许的最大电流，并持续一段时间，导致IGBT局部瞬时温度上升，硅片熔化而损坏。
（3）散热不好，运行温度过高，造成损坏。
三 IGBT中频电源的保护措施
针对上述原因，IGBT中频电源采取了相应的保护措施以预防IGBT的损坏。
（1）为了防止过电压，在每个IGBT器件上安装了RCD缓冲电路，它们能够吸收IGBT器件关断时线路电感产生的过电压，使IGBT器件的电压被限制在允许范围内。
（2）对于过电流，IGBT中频电源配备了LEM快速电流传感器，这些传感器能够在1us内检测出电流的异常，和相关的硬件保护电路配合，在5us内关断IGBT器件，避免过电流损坏IGBT。（3）为了检测IGBT器件的温度，IGBT中频电源为每个IGBT安装了温度传感器，在工作时监测它们的工作温度，一旦温度超过最高设定值，会立即自动停止IGBT的工作。
四 现场使用过程中存在的问题及解决
尽管IGBT中频电源具有上述的保护措施，但在实际运行时依然有IGBT烧坏的事件发生。通过对这些事件的观察和分析，认为主要有下面的外部条件导致了IGBT的损坏。
（1）主线路和感应线圈的绝缘
IGBT无论是正常还是异常（过流保护）关闭时，其RCD缓冲电路都具有足够的容量能够吸收关闭时产生的过电压。但是，如果输出电路（铜排）或感应线圈的绝缘强度降低，在运行时造成主电路对地打火，在这种情况下会在 IGBT上产生异常的高电压，如果这个电压持续时间过长，则其能量不能被RCD缓冲电路吸收，从而在IGBT两端形成高电压，造成过压击穿。引起绝缘强度降低的原因有绝缘件的老化，因为发热产生的炭化以及导电粉尘的堆积等。
定期清理主铜排和感应器表面堆积的灰尘。铸造车间的粉尘往往都是导电的，这些粉尘落在主铜排和感应线圈的表面，会引起这些地方的绝缘能力降低，从而造成放电打火。我们每个星期都会清理主铜排和感应线圈的表面，主电路铜排连接螺栓每个季度定期检查，上紧。由于电流会导致铜排发热，会使螺栓松动，这是由于接触电阻的增加，会在连接处产生大量热量，从而使绝缘材料炭化，造成短路。
定期检查感应器循环水系统。有时由于循环水管接头漏水，滴在感应器上面也会使其绝缘能力降低而引起IGBT过流保护。
（2）控制电源的异常
按照说明书的规定，IGBT中频电源的控制电源为3相380V，波动不超过±15%，波形奇变不超过5%。由于受电网条件的限制，供电存在着超过上述范围的情况。表现为谐波超标导致供电波形严重奇变。当IGBT中频电源的控制电源与其他大功率用电设备共用时，这种现象的影响尤为明显。当控制电源突然断电，在供电恢复后，用电设备依次投入运行，在这段时间内，控制电源往往是不稳定的。如果中频电源先于其他设备投入运行，有可能因为变压器空载，导致控制电源过高。控制电源的这些问题有可能引发干扰，造成上下两个桥臂的IGBT同时导通，产生短路电流，从而烧坏IGBT。电源的干扰也可能使控制系统工作异常，使IGBT的短路电流不能得到有效的保护，从而造成烧坏IGBT。
有效的解决方法是在控制电源端增加一台交流稳压电源或在线UPS电源。由于控制电源功率不大，我们采用了1KVA的在线UPS电源。
（3）循环水路堵塞
虽然为每个IGBT安装了温度传感器，但是这些传感器是安装在IGBT的散热器上的。如果因为冷却水不好导致散热器的水路结垢，使IGBT工作时产生的热量不能有效的传给散热器，则温度传感器就不能检测到IGBT的真实的温度。在这种情况下，如果继续工作，IGBT就可能因为过热从而烧坏。
为了避免水路堵塞，我们每半年清理内循环水路及散热器。现在我们已经把原来铝质的散热器换成了铜质的。
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