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三相逆变电路中IGBT栅极过压导致IGBT损坏问题

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laohu80984
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本网技师
  • 2014-12-30 17:08:57
10问答币


各位前辈好,我在进行逆变实验时发生如下故障,请大家帮我看看是什么原因造成的。


主电路拓扑:三相四桥臂逆变器+LC滤波器。IGBT型号为:英飞凌耐压1200V电流75A的IGBT。驱动芯片为:concept 2sc0108_17,耐压为1700V。直流母线电压由可调变压器输出经整流桥整流再经电容滤波得到。
当直流母线为300V时,我开逆变(即给PWM信号),逆变器工作正常,输出三相交流电。然后把直流母线电压升高为400V,逆变器工作正常。保持直流母线电压不变,关逆变(IGBT基极电压为-9V),再开逆变。发生故障。检查发现C相的concept驱动损坏。C相桥臂的IGBT上下管的G极E极间各自并的一个稳压二极管(SMBJ13)击穿短路,C相桥臂IGBT上下管的栅极都烧坏,既给GE加15V电源,CE也不能导通了。该桥臂IGBT内部反并联的二极管正常。
我猜测应该是IGBT栅极出现了高压,但是不知道是什么原因造成了栅极的高压。请前辈们帮我分析一下。
说明:上图中第一图为主电路图,其中R代表负载。下图为IGBT驱动。2端接上管栅极,1端接上管发射极。5端接下管栅极,4端接下管发射极。

最佳答案

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从你的驱动波形看,没有米勒区;说明管子的开关电压应力比较小。从波形陡度看,动态内阻比较大。因此,如果如此加高压;出现米勒效应就会半桥局部直通。 从稍带电流出现的尖峰电压看;一旦局部直通关断后过压击穿而导致炸管。建议加大死区。 另一方面,你现在的策略决定了有开机浪涌。建议用鲁棒控制策略,开机电流软启动。 ...
化二为一
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LV8
副总工程师
  • 2014-12-30 17:29:34
 
IGBT的损坏原因很大,譬如过流、过压,以及擎柱效极,以及栅极的电压超过20V或负20V。
laohu80984
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本网技师
  • 2014-12-30 18:00:34
 
在发生故障时,只听见一声轻微的响声,且从外观看,IGBT没有任何损伤。应该不是过流吧?若是过压,我想知道发生过压时是怎么损坏我的IGBT驱动的,又是怎么损坏我并在GE端的限压二极管的,这限压二极管能稳住最大电压为21.5V,能吸收最大浪涌电流27A.
飘飘飘
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LV8
副总工程师
  • 2014-12-30 20:52:55
 
最起码也上个简图吧??这样说得云里雾里的
laohu80984
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本网技师
  • 2014-12-30 23:08:17
 
加上图了,麻烦前辈再帮我看看行吗?
飘飘飘
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LV8
副总工程师
  • 2014-12-31 19:39:49
 
先测下管CE 波形看看尖峰,还有你的保护电路没做好,6脚和7脚SO1 SO2不正常的时候立刻关掉驱动芯片的电源,要么就关掉驱动芯片2脚 3脚的输入信号 ,这样驱动芯片就没那么容易坏哦。
电路屌丝
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高级工程师
  • 2014-12-31 11:26:50
 
你确实是C相吗,还是制动相?另外你的供电电源是否稳定,还有你的电流检测是怎么做的。
laohu80984
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本网技师
  • 2014-12-31 11:53:37
 
除了两次故障,故障现象都一样,一次是A相,一次是C相。没有电流检测。
电路屌丝
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高级工程师
  • 2014-12-31 11:59:03
 
没有用过你这个驱动,你看看15V电源,你看是否有出现了直通的现象!
laohu80984
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本网技师
  • 2014-12-31 12:07:07
 
15V电压直通会造成我这个现象吗?我的稳压二极管也烧了的
电路屌丝
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高级工程师
  • 2014-12-31 14:12:44
 
驱动信号干扰导致IGBT直通,电流过大,15V电源稳定性怎么样,有过压现象不?
batman2001929
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本网技师
  • 2014-12-31 15:22:36
 
死区时间1us不到,门极电阻20欧姆是不是有点大了?大电流的时候很容易发生IGBT直通哦,你的短路保护功能都没用上。IGBT的吸收电路呢?
电路屌丝
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高级工程师
  • 2014-12-31 16:27:03
 
20R算大吗?测下驱动信号是不是有干扰之类的进去了
batman2001929
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本网技师
  • 2014-12-31 16:53:38
 
20R的门极电阻你还嫌不够大的?开关损耗太大了,死区时间也太短了,看看IGBT的CE电压在开关时有没有震荡。
电路屌丝
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高级工程师
  • 2015-1-3 13:39:39
 
1600A的IGBT使用的驱动电阻我用的22R,
电路屌丝
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高级工程师
  • 2015-1-3 13:45:56
 
说错了,160a
电不死的小强
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副总工程师
  • 2015-1-3 19:34:46
 
这种电源损坏往往是发生在关机的时候和开机的时候。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-4 12:27:25
 
为啥这么说?
nc965
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  • 2015-1-3 09:08:18
 
抓点波形不就知道了?
wutongxiangyu
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初级工程师
  • 2015-1-3 10:51:53
 
把0108T上的有源钳位断开试试。
wutongxiangyu
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初级工程师
  • 2015-1-3 11:06:07
 
没看懂你的驱动电路图。。。你确定不用IGBT短路保护?To disable the VCEsat measurement of gate driver cores, a resistor with a minimum value of 1kΩ needs to be
placed between VCEx and COMx.
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-5 22:52:45
 
这个电阻我有啊。我用的43千欧的电阻。
xkw1cn
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  • 2015-1-5 22:59:42
 
你的电路画全了吗?如果就你这个电路讲,在较高电源电压下,不炸都对不起模块。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-5 23:30:30
 
我的IGBT上还有RC吸收电路。现在的故障现象是当直流母线电压维持在400V,然后启动逆变(即给驱动PWM信号,在启动逆变前,IGBT驱动信号为低电平。用示波器抓过C桥臂IGBT上下桥臂驱动信号波形,在开逆变瞬间,没有驱动同为高电平的情况,且死区也满足要求),听见一声轻微的响声。检查发现C相IGBT模块外观无异常,但模块损害,上下桥臂IGBT的C、G、E三级都是开路,GE极间并的稳压二极管都击穿了。IGBT驱动也烧坏了。上下桥臂的IGBT和稳压二极管和驱动损坏现象都一样。
xkw1cn
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  • 2015-1-6 08:12:15
 
RC吸收只不过是阿托品,改变不了错误的本质。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-6 08:44:34
 
您好,您能给我指出错误出在哪吗?谢谢您了
xkw1cn
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  • 2015-1-6 09:01:59
 
没有为交流电流提供回路。
电路屌丝
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高级工程师
  • 2015-1-6 09:58:53
 
不是很明白你的意思,是不是你说的制动时候的能量回馈?
xkw1cn
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  • 2015-1-6 10:24:46
 
与制动无关。是交流回路不通。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-6 12:45:40
 
能说的详细点吗?同样的的主电路,为啥我在开着逆变的时候升高直流母线电压,设备能正常工作,LC滤波器输出正常交流电,然后我保持母线电压不变,关逆变,再重新开逆变,在开逆变时才出的故障?
飘飘飘
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副总工程师
  • 2015-1-6 21:30:29
 
我推断应该是下管CE尖峰过高损坏,逆变器在开通过程还未达到稳态时产生尖峰。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-6 21:45:17
 
CE尖峰过高会造成栅极电压也过高吗?我的上下管栅极并的稳压管都击穿短路了。
我驱动信号逻辑为,当开逆变的第一个开关周期,所有桥臂都是下管导通一个开关周期,等到第二个开关周期时,才是正常的PWM开关信号。
xkw1cn
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  • 2015-1-6 21:55:35
 
首先,出现尖峰就是设计错误的表现特征之一。即便是600A的逆变桥也不该有明显超过90V的尖峰。
其次,CE尖峰也是可以损坏栅极的。尤其驱动与IGBT失陪时,几乎100%损坏。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-6 22:09:46
 
谢谢,我再去抓下波形。之前抓过,没发现CE有尖峰。因为我吸收RC回路,R为25欧,C为2nF,我开关频率为12K。我之前抓的波形显示,在IGBT关断时,CE端电压不但没有尖峰,反而有点塌陷。好像吸收过头了一样。而且出故障时直流母线电压400V,我IGBT耐压是1200V的,所以我一直没怀疑CE过压。
我原来手机上有波形,元旦时手机丢了。不能传上来让前辈帮我分析分析了。
xkw1cn
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  • 2015-1-6 22:12:12
 
别忘了,是失效时的前后几个波呕。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-6 22:21:44
 
失效时的波形啊?那可没有。我现在是想在低压没失效时观察波形有无异常,从而推断失效原因。失效一次得坏一个IGBT模块,一个IGBT驱动。成本太大,会被我老师骂的。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-6 22:32:48
 
对了,我今天做实验,在直流母线100V时
,抓到驱动信号波形有振荡。我怀疑是这个振荡造成的我的IGBT失效。您看看可能是这个原因吗。

xkw1cn
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  • 2015-1-6 22:38:22
 
这是空载波形吗?
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-6 23:17:04
 
这是IGBT驱动电压波形。此时我直流母线电压100V,逆变后的LC滤波器去掉没接。
xkw1cn
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  • 2015-1-6 23:24:44
 
空载没意义,实际带载就不是这个波。你也不是这样坏的。
laohu80984
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  • 2015-1-6 23:26:47
 
真是CE过压?
laohu80984
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  • 2015-1-6 23:30:19
 
我昨天给英飞凌的IGBT工程师打电话,他们说过压损坏的IGBT一般是短路。过流损坏的IGBT一般是断路。而我的IGBT损坏后的现象是三个极都断路。
xkw1cn
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  • 2015-1-7 09:26:01
 
瞎胡弄!根本就不是这回事。那般都不是这情况。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-7 12:04:36
 
那您认为我这故障原因可能是啥?
xkw1cn
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  • 2015-1-7 13:08:39
 
看波形谈故障。
laohu80984
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  • 2015-1-7 14:01:58
 
好。我去抓点波形,晚上回来再向你请教
飘飘飘
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副总工程师
  • 2015-1-7 19:01:35
 
要带载才能看到开机尖峰呀,怕坏管先把负载搞小点,再慢慢加大负载看看尖峰会不会变大。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-8 21:17:40
 
您好,我昨天有点别的事。没去做实验。今天做试验了,抓了些波形,您帮我分析一下。下面是我抓的启动逆变时C相IGBT上下桥臂CE电压和上桥臂C极电流波形,其中直流母线电压为100V。


说明:上图中,粉红线为上桥臂CE电压,绿线为下桥臂CE电压,蓝线为电流。该电流除了IGBT的集电极电流为,还有RC缓冲回路的电流,1伏电流信号对应实际1安电流。
我从上面两图发现在一个开关周期内电流有振荡,怀疑是缓冲回路引起的。于是去掉C相桥臂的RC缓冲回路。再抓得下面三个波形。



由上面三个波形可以发现,启动是的浪涌电流小了一些,然后开关周期内的电流波动基本消失,但是此时CE电压出现尖峰。
从上面波形上看,我认为造成我这次故障的原因是启动浪涌电流太大。波形上浪涌电流最大值达到15A,此时母线电压100V。若我母线电压为600V,那对应的浪涌电流达到了90A。而我IGBT能承受的最大直流电流75A,最大浪涌电流150A。
请您看看我得波形,帮我分析一下。谢谢了。
laohu80984
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  • 2015-1-8 21:26:10
 
下面两图是启动逆变是C桥臂上下管驱动信号。我是直接在IGBT驱动管脚处量的。此时直流母线电压也为100V.

说明:粉红线为上桥臂,绿线为下桥臂的驱动信号。启动后第一个开关周期,我电压采样的信号不能用,所以在前两个开关周期保持下桥臂开通,上桥臂关断,此时我其他三个桥臂也都是这样。在第三个开关周期,才输出正常的PWM驱动信号。
我觉得我的驱动信号还是不错的。应该不是驱动信号造成的这次故障。您觉得呢?
xkw1cn
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  • 2015-1-8 22:38:25
 
从你的驱动波形看,没有米勒区;说明管子的开关电压应力比较小。从波形陡度看,动态内阻比较大。因此,如果如此加高压;出现米勒效应就会半桥局部直通。
从稍带电流出现的尖峰电压看;一旦局部直通关断后过压击穿而导致炸管。建议加大死区。
另一方面,你现在的策略决定了有开机浪涌。建议用鲁棒控制策略,开机电流软启动。
laohu80984
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  • 2015-1-8 23:28:51
 
谢谢您。还有一个疑问想咨询您。
加大死区能够解决弥勒效应造成的直通吗?还是我需要在GE间并一个小电容?
还有,当我IGBT有RC缓冲电路时没有电压尖峰,但是浪涌电流更大,且还有振荡,请问您有碰到这种情况吗?这应该是我RC电路设计部合适造成的。
xkw1cn
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  • 2015-1-9 17:53:48
 
现在的驱动;在有米勒时,上下脉冲因米勒而展宽;有部分重合了,所以;需要加大死区。但是;米勒效应不仅能展宽脉冲;有时还会无中生有,这时就需要调整驱动能力了。
RC吸收不是万能的;它实际是将部分寄生能量转移到RC上以消耗掉。只有当阻抗匹配的比较好时;才能阻尼,否则会弄巧成拙。建议再尝试一下其它RC值以获得一定规律,而后将其最优化。
laohu80984
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  • 2015-1-9 21:25:48
 
谢谢
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  • 2015-1-9 23:50:19
 
恩。谢谢
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  • 2015-1-13 22:49:08
 
您好。我按照您的建议,把死区由1us改为了2us。然后加了一个软启动,并在ge间并了一个0.01uF的电容。然后继续做实验。实验中观察了启动电流和驱动波形,发现都正常。后来我直接把直流母线电压加到了600V,开逆变,正常,启动电流很小,驱动电压在进入弥勒平台时有一个小的波动,但也可以接受。波形如下。
这时我看波形都正常,我以为问题解决了,然后我就在记录输出波形数据,大概两三分钟后,听见一声轻微的响声,C相驱动波形信号一下没了。我检查发现,又是上次一样的故障。C相IGBT桥臂上下管都损坏,外观没异常,但不能开通了,IGBT栅极处并的稳压二极管正反向都击穿短路。C相IGBT驱动也损坏。这时我发现C相IGBT模块温度挺高,大概有60多度。
我把损坏件换了,继续做实验,想知道IGBT为啥温度那么高,故障之前,我观察到,滤波电感上的电流峰值也就10A,不至于损坏IGBT。
首先我把C相的RC吸收电路去掉。直流母线电压加到300V,启动逆变,观察驱动波形和CE电压波形都正常,然后观察温升。10分钟后,C相IGBT模块温升在1度以内,而没有去掉RC吸收电路的那三个桥臂,B相温度最高,达到了49度(A相26度),A相44度,D相37度。
通过这个实验,可以肯定的是RC吸收回路设计的不对,但是我不能定位这次故障的原因。难道是RC回路与IGBT寄生电感发生谐振,导致IGBT过流?我RC的参数是C为3nf,R为25欧。
不知道我分析得对不对,请您再帮我看看。谢谢您!

xkw1cn
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  • 2015-1-13 22:56:24
 
IGBT是否装散热器了?
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-13 23:33:10
 
有散热器,还不小
xkw1cn
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  • 2015-1-14 08:24:24
 
有16k书大吗?
laohu80984
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  • 2015-1-14 08:32:59
 
我的散热片比16K书稍微长点,高度方向要稍微矮点。我有两个散热片,一个上装的两个IGBT模块,一个上装的是两个IGBT模块和一个整流桥模块。您的意思是说我的故障就是过热造成的?
xkw1cn
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  • 2015-1-14 08:35:32
 
没有,只是想确认是否正确使用模块而已,没有别的意思。另外,模块与散热器间需要涂敷导热硅脂,否则热组会很高。
laohu80984
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  • 2015-1-14 08:39:22
  • 倒数10
 
导热硅脂是有的,现在不是去掉RC回路后,温升就没了吗?我决定在没有RC回路下,把直流母线电压加到600V,再工作看看,观察下驱动波形和IGBT温升。这时看不了CE波形了,没有那么大的示波器。
xkw1cn
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  • 2015-1-14 08:46:17
  • 倒数9
 
买个高压探头,100M的大概2/3百米。
laohu80984
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  • 2015-1-14 08:48:51
  • 倒数8
 
恩。好的。


laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-14 23:55:52
  • 倒数7
 
今天买了一个高压探头用于观测CE波形。然后我把IGBT缓冲电路去掉了。做实验。
当直流母线电压500V时,观察CE尖峰有35V,驱动波形有弥勒平台处有接近两伏的振荡。工作10分钟,IGBT温度为30度.
然后升高直流母线电压,当升到520V时,C相IGBT有火花冒出,然后主电源开关跳闸。检查发现C相和B相IGBT损坏,他们的驱动芯片损坏,栅极所并稳压管击穿。而他们的温度并不高,30度左右。
这次可以很准确地知道是IGBT上下管直通造成的这次故障。但是故障时IGBT的CE电压波形没看出异常。不知道为什么出现了直通。还有一个现象,每次故障都是C相(这次还有B相),怀疑是不是母线电压有问题。因为我直流母线电压先接到C相,然后再接到D相,到A相,再到B相的。
现在我对于什么原因造成的IGBT桥臂直通还没有一点头绪。我想能不能得到您的联系方式,电话QQ都行,我向您咨询一下。通过发帖,问题还是描述得不太清楚。
xkw1cn
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  • 2015-1-15 08:17:55
  • 倒数6
 
不知你用的啥驱动,一般;合格的驱动不会这样。建议试试EXB840/841,以前用过;40kHz以下很皮实可靠,现在也已经很便宜了。
还有,在每个模块电源输入的两个端子上,需要直接拧上无感电容,CBB18/21/22都可以,依你目前电路,推荐1000V104。买的时候必须要当心,一定要粗管脚的,镀银最好。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-15 08:59:46
  • 倒数5
 

这个电容是有的,用的是无感电容,我是两个105串起来用的。这次我怀疑是母线电压的波动造成的DVDT太大,导致关断IGBT误导通的。我这电路还有一个现象,就是封锁IGBT驱动信号时,观察CE电压也是一个变化的电压,好像IGBT有被控制一样,只是变化频率很低。见下图。其中红线和蓝线分别为同一桥臂上下管的CE端信号。
xkw1cn
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  • 2015-1-15 10:22:49
  • 倒数4
 
空载不行;输出接灯泡再测一下。别忘了;灯泡需要两串或三串。
laohu80984
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本网技师
  • 2015-1-15 19:47:24
  • 倒数3
 
可是我一直是空载在做实验啊,IGBT也是在空载时爆的,我就一直没加过负载。
飘飘飘
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副总工程师
  • 2015-1-18 20:50:04
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你的管子CE并的了多大的电容??
电路屌丝
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高级工程师
  • 2015-1-7 09:37:09
 
带一点点负载看看波形。
home10087
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本网技工
最新回复
  • 2018-1-7 16:30:06
  • 倒数1
 
你好,我现在用的驱动器IGBT也出现了,你的这种情况,你最后怎么解决的
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