IGBT保护技术在光伏逆变器的应用

光伏逆变器是光伏系统非常重要的一个设备，主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成交流电，除此之外，逆变器还承担检测组件、电网、电缆运行状态，和外界通信交流，系统安全管家等重要功能。一款全新逆变器的产出需要两年多的时间，前期需要投入大量的人力和物力去研发和测试。

IGBT作为功率器件，在逆变器中承担着功率变换和能量传输的作用，是逆变器的心脏。同时，IGBT又是逆变器中最不可靠的元器件之一，对器件的温度和电流非常敏感，稍有超标便会炸机且不可修复。因此IGBT是逆变器的重点保护对象。

IGBT保护技术在光伏逆变器的核心利用体现在驱动保护、过电流/短路保护、过温保护、机械故障保护四个方面，具体如下。

1、驱动保护

IGBT本身是一个电流开关的器件，开关多长时间是由逆变器的CPU来控制的，但是DSP输出是一个PWM信号，速度很快，但功率不够，驱动器最主要的作用是放大PWM信号。

IGBT控制很大的高频大电流，会产生电磁干扰信号，驱动器又和IGBT隔得很近，因此驱动电路要有隔离功能，目前驱动隔离方案有光耦、光纤、脉冲变压器、磁耦等几种。

2、过电流/短路保护

在设计IGBT时，电流一般都会留有10%以上的裕量。但是，逆变器在工作时，由于组件、负载短路，负载侧故障导致过流，负载侧有特别大的感性负载，启停时有很大的谐波电流，这时候逆变器输出电流会急剧上升，导致IGBT的工作电流也会对应急剧上升。

IGBT短路分为两种情况：变流器的桥臂内发生直通，称为一类短路，变流器短路点发生在负载侧，等效短路阻抗较大，称为二类短路。二类短路一般也可认为是逆变器发生较严重的过流。在短路发生时刻，如果不采取相关措施，就会导致IGBT快速进入退饱和，瞬态功耗超过限值而损坏，因为IGBT承受过电流的时间仅为几微秒。因此，当短路发生时，要尽快关断IGBT，而且关断的速度要平缓，保证电流变化速率在一定范围，避免关断过快而引起电压应力超过限值而损坏IGBT，有源钳位的方案中增加快速响应措施，使得IGBT驱动能够尽快动作。

3、过温保护

当逆变器环境温度过高、逆变器散热不良，持续过热均会导使IGBT的损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，若芯片温度超过硅本征温度(约250℃)，器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。

在设计时主要从两个方面去考虑：第一，加强完善IGBT管的散热条件，包括风道设计、散热器的设计制作，加强制冷等;第二，设计过热检测保护电路，用IGBT模块上内置的热敏电阻来测量IGBT散热温度，是很准确的，当温度超过设定值时，关断IGBT使其停止工作。

4、机械故障保护

为了散热方便，IGBT都是通过螺丝连接，安装在散热器上，这个螺丝的连接强度要恰到好处，既不能力量太大，也不能力量太轻。如果力量太大，会损坏IGBT;如果力量太轻，在运输和安装过程中，由于振动会造成接触不良，热阻增加，器件过温损坏。在安装IGBT时，都会使用专门的螺丝批，根据IGBT型号，采用相应的扭力，保证IGBT连接牢固的同时又不会被损坏。

IGBT是逆变器中最容易损坏的器件，同时也是逆变器中最昂贵、最关键的器件。因此为了能够IGBT能够更好的被保护,逆变器必须采取较多相对应的保护措施。

审核编辑：汤梓红