GBT的正常開通既需要幅值足夠的激勵電路,如+12V以上,更需要足夠的驅動電流,保障其可靠開通,或者說保障其導通在的低導通內阻下。上述A、B故障原因的實質,即由於驅動電路的功率輸出能力不足,導致了IGBT雖能開通但不能處於良好的低導能內阻的開通狀態下,從而表現出輸出偏相、電機振動劇烈和頻跳OC故障等。
讓我們從IGBT的控制特性上來做一下較為深入的分析,找出故障的根源所在。
一、IGBT的控制特性:
通常的觀念,認為IGBT器件是電壓型控制器件——為柵偏壓控制,只需提供電平幅度的激勵電壓,而不需吸取激勵電流。在小功率電路中,僅由數字門電路,就可以驅動MOS型絕緣柵場效應管。做為IGBT,輸入電路恰好具有MOS型絕緣柵場效應管的特性,因而也可視為電壓控制器件。這種觀念其實有失偏頗。因結構和工藝的原因,IGBT管子的柵-射結間形成了一個名為Cge的結電容,對IGBT管子開通和截止的控制,其實就是Cge進行的充、放電控制。
+15V的激勵脈衝電壓,提供了Cge的一個充電電流通路,IGBT因之而開通;-7。5V的負向脈衝電壓,將Cge上的“已充電荷強行拉出來”,起到對充電電荷的快速中和作用,IGBT因之而截止。
假定IGBT管子只對一個工作頻率為零的直流電路進行通斷控制,對Cge一次性充滿電後,幾乎不再需要進行充、放電的控制,那麼將此電路中的IGBT管子說成是電壓控制器件,是成立的。而問題是:變頻器輸出電路中的IGBT管子工作於數kHz的頻率之下,其柵偏壓也為數kHz頻率的脈衝電壓!一方面,對於這種較高頻率的信號,Cge的呈現出的容抗是較小的,故形成了較大的充、放電電流。另一方面,要使IGBT可靠和快速的開通(力爭使管子有較小的導通內阻),在IGBT的允許工作區內,就要提供盡可能大的驅動電流(充電電流)。對於截止的控制也是一樣,須提供一個低內阻(歐姆級)的外部泄放電路,將柵-射結電容上的電荷極快地泄放掉!
大家都知道電容為儲能元件,本身不消耗功率,稱為容性負載。但正猶如輸、配電線路的道理一樣,除了電源提供容性元件的無功電流(無功功率)外——這使得電源容量變大,無功電流也必然帶來了線路電阻上的損耗(線損)!驅動電路的功率損耗主要集中在柵極電阻和末級放大管的導通內阻上。我們常看到——尤其是大功率變頻器——驅動電路的輸出級其實是一個功率放大電路,常由中功率甚至大功率對管、幾瓦的柵極電阻等元件構成,說明IGBT的驅動電路是消耗功率的,是需要輸出電流的。
而從上述分析可看出:應用在變頻器輸出電路的IGBT管子,恰恰應該說是電流或說是功率驅動器件,而不純為電壓控制器件。二、裝機前後一個檢測內容:
為大可能地降低返修率,在對驅動電路進行三、四節的檢測後,不要漏過對驅動電路的帶負載能力這樣一個檢查環節。
DVP-122kW臺達變頻器的U相上臂的驅動電路。圖中GU、EU為脈衝信號輸出端子,外接IGBT的G、E極,檢修驅動板時已與主電路脫離。虛線框內為外加測量電路。為電源/驅動板上電後,配合啟動和停止操作,在m、n點串入直流250mA電流檔,與15Ω3W的外加測量電阻構成回路,檢測各路驅動電路的電流輸出能力,測得啟動狀態,有五路輸出電流值均在150mA左右,其中一路輸出電流僅為40mA,裝機運行後跳OC的故障原因正在於此,該路驅動電路的驅動能力大大不足!停機狀態,測得各路負電壓供電的電流輸出能力均為50mA左右,負壓供電能力正常。