IGBT چیست و چه نقشی در اینورتر دارد؟
در بیشتر اینورترهای صنعتی، بخش خروجی وظیفه دارد ولتاژ DC را به یک ولتاژ سهفاز قابلکنترل تبدیل کند. قطعهای که این کلیدزنی سریع و دقیق را انجام میدهد، معمولاً IGBT است. در این مقاله ساختار، انواع بدنه، نحوه کار، اجزای ماژول قدرت، خنککاری و عوامل خرابی IGBT را بررسی میکنیم.
IGBT چیست و چه نقشی در اینورتر دارد؟
IGBT یک کلید نیمههادی قدرت است که میتواند جریانهای بالا را با دریافت یک فرمان الکتریکی کوچک در پایه Gate قطع و وصل کند. این قطعه در تجهیزاتی مانند اینورتر صنعتی، سروودرایو، UPS، دستگاه جوش و مبدل توان استفاده میشود.
در اینورتر، IGBTها ولتاژ DC موجود در مدار میانی را با سرعت بالا قطع و وصل میکنند تا در خروجیهای U، V و W ولتاژی با فرکانس و دامنه قابلکنترل ایجاد شود. محاسبات سرعت، گشتاور و الگوی کلیدزنی در مدار کنترل انجام میشود و IGBTها بخش قدرت این فرمانها را اجرا میکنند.
تفاوت IGBT و MOSFET در اینورتر چیست؟
IGBT و MOSFET هر دو بهعنوان کلید نیمههادی قدرت استفاده میشوند، اما مشخصات و محدوده کاربرد آنها یکسان نیست. MOSFET معمولاً در فرکانسهای کلیدزنی بالاتر عملکرد مناسبی دارد؛ درحالیکه IGBT در بسیاری از اینورترهای صنعتی با ولتاژ و توان بالاتر کاربرد گستردهای دارد.
انتخاب میان این دو قطعه به ولتاژ باس DC، جریان خروجی، فرکانس کلیدزنی، تلفات، راندمان و طراحی سیستم خنککاری بستگی دارد.
شکل ظاهری IGBT داخل اینورتر چگونه است؟
ظاهر IGBT در تمام اینورترها یکسان نیست. نوع بدنه به توان اینورتر، ولتاژ کاری، جریان خروجی و طراحی سازنده بستگی دارد. IGBT ممکن است بهصورت قطعه مجزا، ماژول قدرت یا ماژول هوشمند IPM داخل دستگاه قرار گرفته باشد.
IGBT با بدنه مجزا
در بعضی اینورترهای کمتوان، هر IGBT بهصورت یک قطعه جداگانه روی برد قدرت نصب میشود. این قطعات معمولاً بدنهای شبیه ترانزیستور قدرت و سه پایه اصلی دارند.
ترتیب پایهها در همه مدلها یکسان نیست و باید از دیتاشیت همان قطعه بررسی شود. در برخی پکیجها صفحه فلزی پشت قطعه به Collector متصل است؛ بنابراین نحوه عایقکاری و نصب روی هیتسینک باید مطابق دیتاشیت انجام شود.
ماژول IGBT چیست؟
در بسیاری از اینورترهای صنعتی، چند IGBT و دیود قدرت داخل یک محفظه مشترک قرار میگیرند. به این مجموعه ماژول IGBT گفته میشود. ماژول ممکن است شامل یک کلید، یک نیمپل، دو کلید یا کل پل سهفاز باشد.
ماژول هوشمند قدرت یا IPM چیست؟
در اینورترهای کوچک و متوسط ممکن است از IPM یا Intelligent Power Module استفاده شود. IPM میتواند علاوه بر IGBTها، بخشهایی از مدار درایور، حفاظت و پایش دما را نیز در یک پکیج مشترک قرار دهد.
ساختار دقیق IPM به مدل و سازنده بستگی دارد. بعضی ماژولها فقط پل اینورتر و مدارهای درایور را شامل میشوند و بعضی دیگر پل دیود، چاپر ترمز، سنسور NTC و حفاظتهای بیشتری را در خود جای میدهند.
داخل ماژول قدرت اینورتر چه قطعاتی قرار دارد؟
ماژول مورد بررسی میتواند چند بخش اصلی از مسیر تبدیل توان را در یک پکیج قرار دهد. وجود هر بخش باید از روی پارتنامبر و دیتاشیت ماژول تأیید شود.
1
پل دیود ورودی
برق AC ورودی را یکسو کرده و به ولتاژ DC تبدیل میکند.
2
پل IGBT خروجی
ولتاژ DC را با الگوی PWM به خروجی سهفاز تبدیل میکند.
3
دیودهای موازی معکوس
مسیر ادامه جریان موتور را هنگام تغییر وضعیت کلیدها فراهم میکنند.
4
چاپر ترمز و NTC
بسته به مدل، کلید ترمز و سنسور پایش دمای ماژول نیز داخل پکیج قرار دارند.
پل IGBT خروجی اینورتر
در یک اینورتر سهفاز معمولی، 6 عدد IGBT به شکل سه نیمپل قرار میگیرند. برای هر فاز یک IGBT در بخش بالا و یک IGBT در بخش پایین وجود دارد.
- 2 عدد IGBT برای فاز U
- 2 عدد IGBT برای فاز V
- 2 عدد IGBT برای فاز W
نقطه میانی هر نیمپل به یکی از خروجیهای U، V یا W متصل میشود. با روشن و خاموش شدن کنترلشده این 6 کلید، ولتاژ سهفاز موردنیاز موتور ساخته میشود.
چرا برای خروجی سهفاز به 6 عدد IGBT نیاز داریم؟
هر فاز موتور باید بتواند تحت کنترل مدار به بخش مثبت یا منفی باس DC متصل شود. به همین دلیل برای هر فاز دو کلید، یکی در بخش بالا و دیگری در بخش پایین، لازم است.
IGBT در اینورتر چگونه کار میکند؟
1تولید فرمان
پردازنده با توجه به فرکانس مرجع، پارامترهای موتور، مد کنترلی و اطلاعات سنسورها، الگوی PWM را محاسبه میکند.
2تقویت فرمان
مدار Gate Driver ولتاژ و جریان مناسب را برای روشن و خاموش کردن سریع IGBT فراهم میکند.
3کلیدزنی پل قدرت
IGBTهای بالا و پایین با ترتیب و زمانبندی کنترلشده روشن و خاموش میشوند.
4تولید خروجی موتور
پالسهای خروجی دارای مؤلفه اصلی با ولتاژ و فرکانس موردنیاز موتور هستند.
مدار Gate Driver و تولید PWM
خروجی مستقیم پردازنده برای کنترل IGBT مناسب نیست. به همین دلیل بین مدار کنترل و IGBT یک مدار Gate Driver قرار میگیرد.
با اعمال ولتاژ مناسب بین Gate و Emitter، IGBT روشن میشود و جریان از Collector به Emitter عبور میکند. با حذف یا منفی کردن فرمان، مطابق طراحی Gate Driver، قطعه خاموش میشود.
دیودهای کنار IGBT چه وظیفهای دارند؟
موتور یک بار سلفی است و جریان سیمپیچ نمیتواند ناگهان متوقف شود. وقتی یک IGBT خاموش میشود، جریان موتور همچنان به مسیری برای ادامه حرکت نیاز دارد.
دیودهای موازی معکوس این مسیر را فراهم میکنند. این دیودها با نامهایی مانند Freewheeling Diode، دیود هرزگرد یا FRED شناخته میشوند و در بسیاری از ماژولها در کنار تراشه IGBT داخل همان پکیج قرار دارند.
سنسور دمای NTC داخل ماژول
در برخی ماژولهای قدرت، یک سنسور NTC داخل پکیج قرار دارد. مقاومت NTC با افزایش دما کاهش پیدا میکند و برد کنترل با اندازهگیری آن میتواند وضعیت حرارتی ماژول را ارزیابی کند.
دمای NTC لزوماً برابر با دمای Junction هر IGBT نیست. این سنسور معمولاً دمای بخشی از بستر یا ناحیهای نزدیک تراشههای قدرت را اندازهگیری میکند.
IGBT چگونه روی هیتسینک نصب میشود؟
IGBT هنگام کار بهدلیل تلفات هدایتی و سوئیچینگ گرما تولید میکند. ماژول روی هیتسینک نصب میشود و میان سطح تماس آن و هیتسینک از خمیر یا ماده انتقال حرارت مناسب استفاده میشود.
تلفات هدایتی
در حالت روشن، افت ولتاژ Collector–Emitter صفر نیست و حاصل عبور جریان از این افت ولتاژ به گرما تبدیل میشود.
تلفات سوئیچینگ
در لحظه روشن و خاموش شدن، IGBT همزمان ولتاژ و جریان قابلتوجهی را تحمل میکند و بخشی از انرژی تلف میشود.
با افزایش فرکانس حامل، تعداد دفعات کلیدزنی بیشتر میشود و معمولاً تلفات سوئیچینگ افزایش پیدا میکند. مقدار واقعی تلفات به نوع IGBT، جریان، ولتاژ باس DC، دمای اتصال، مقاومت Gate و شرایط مدار بستگی دارد.
چاپر ترمز چه ارتباطی با IGBT دارد؟
در اینورترهایی که چاپر ترمز داخلی دارند، معمولاً یک IGBT جداگانه برای اتصال مقاومت ترمز به باس DC استفاده میشود. هنگام کاهش سرعت، انرژی مکانیکی بار ممکن است به انرژی الکتریکی تبدیل شده و وارد باس DC شود.
اگر ولتاژ باس از آستانه تعیینشده بیشتر شود، مدار کنترل IGBT چاپر را روشن میکند. مقاومت ترمز به باس DC متصل میشود و انرژی اضافی را به گرما تبدیل میکند.
چه عواملی باعث خرابی IGBT اینورتر میشوند؟
اتصال کوتاه خروجی
اتصال میان U، V و W یا اتصال خروجی به زمین میتواند جریان شدیدی از IGBT عبور دهد.
روشن شدن همزمان دو کلید
اختلال Gate Driver یا Dead Time نامناسب میتواند باس DC را مستقیماً اتصال کوتاه کند.
افزایش بیش از حد دما
خرابی فن، گرفتگی هیتسینک، دمای محیط بالا، اضافهبار یا نصب نامناسب، دمای ماژول را افزایش میدهد.
شل شدن اتصالات قدرت
افزایش مقاومت اتصال باعث تولید گرما در ترمینال، باسبار، برد و ماژول میشود.
اضافهولتاژ باس DC
ترمز شدید، خرابی چاپر، انتخاب اشتباه مقاومت یا افزایش ولتاژ ورودی میتواند تنش ولتاژی ایجاد کند.
فرمان نامناسب Gate
ولتاژ یا شکل موج نامناسب Gate میتواند خاموش و روشن شدن قطعه را مختل کند.
نشانههای احتمالی خرابی IGBT چیست؟
- خطای Overcurrent یا اتصال کوتاه بلافاصله پس از روشن شدن
- عملکردن فیوز یا کلید حفاظتی ورودی
- اتصال غیرعادی میان باس P(+) و N(-)
- اتصال غیرعادی خروجیهای U، V و W به باس DC
- نبودن یکی از فازهای خروجی یا نامتعادل بودن جریان موتور
- صدای غیرعادی موتور یا گرم شدن سریع ماژول و هیتسینک
- آثار سوختگی، ترک یا تغییر رنگ روی ماژول قدرت
جمعبندی
IGBT یکی از اصلیترین قطعات بخش قدرت در بسیاری از اینورترهای صنعتی است. این قطعه با دریافت فرمان از Gate Driver، ولتاژ DC باس میانی را با سرعت بالا قطع و وصل میکند.
در یک اینورتر سهفاز معمولی، 6 IGBT در قالب سه نیمپل خروجیهای U، V و W را میسازند. در کنار آنها دیودهای قدرت، مسیر جریان موتور را هنگام تغییر وضعیت کلیدها فراهم میکنند.
IGBT ممکن است بهصورت قطعه مجزا، ماژول Six-Pack، ماژول CIB یا IPM داخل اینورتر قرار گیرد. خنککاری صحیح، سلامت Gate Driver، کنترل جریان و ولتاژ، نصب مناسب ماژول و رعایت شرایط کاری، تأثیر مستقیمی بر طول عمر بخش قدرت دارند.
سؤالات متداول درباره IGBT
آیا همه اینورترها از IGBT استفاده میکنند؟
چرا در خروجی یک اینورتر سهفاز 6 عدد IGBT وجود دارد؟
آیا IGBT بالا و پایین یک بازو میتوانند همزمان روشن شوند؟
افزایش فرکانس کریر چه اثری روی IGBT دارد؟
آیا مشاهده خطای Overcurrent بهتنهایی خرابی IGBT را ثابت میکند؟
برای بررسی یا تعمیر IGBT اینورتر نیاز به مشاوره دارید؟
مدل اینورتر، نوع خطا و تصاویر بخش قدرت را برای بررسی اولیه در اختیار واحد فنی تتا صنعت قرار دهید.