IGBT Biến Tần Là Gì? Cách Đo Và Kiểm Tra Thiết Bị

Tìm hiểu chi tiết về IGBT biến tần, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Hướng dẫn kỹ thuật cách đo và kiểm tra IGBT biến tần chính xác, hiệu quả cho kỹ sư điện.

Giới thiệu

Trong thế giới tự động hóa công nghiệp, biến tần (Inverter) đóng vai trò là “bộ não” điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ. Tuy nhiên, để thực hiện được việc biến đổi năng lượng một cách linh hoạt, biến tần cần đến một linh kiện bán dẫn công suất cực kỳ quan trọng: đó chính là IGBT.

Hiểu rõ về IGBT biến tần không chỉ giúp bạn làm chủ công nghệ điều khiển mà còn hỗ trợ đắc lực trong việc bảo trì và sửa chữa hệ thống điện. Bài viết này sẽ đi sâu vào phân tích chuyên môn về cấu tạo, nguyên lý và quy trình kiểm tra thực tế dành cho các kỹ sư.

IGBT biến tần là gì? Vai trò trong hệ thống truyền động

IGBT là viết tắt của cụm từ Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor có cực điều khiển cách ly). Đây là một loại linh kiện bán dẫn công suất ba cực, kết hợp các đặc tính ưu việt của cả MOSFET và Transistor lưỡng cực (BJT). Trong một bộ biến tần, IGBT đóng vai trò là các khóa đóng ngắt điện tử tốc độ cao ở khối nghịch lưu.

Nhiệm vụ chính của IGBT biến tần là thực hiện việc băm xung điện áp DC từ Bus DC thành các xung áp có độ rộng thay đổi (phương pháp PWM). Quá trình này tạo ra dòng điện xoay chiều giả lập với tần số và điện áp có thể điều chỉnh được để cung cấp cho động cơ.

Nhờ có IGBT, chúng ta có thể điều khiển động cơ khởi động êm ái, thay đổi tốc độ linh hoạt và tiết kiệm năng lượng tối ưu. So với các dòng linh kiện cũ như SCR hay GTO, IGBT có tần số đóng ngắt cao hơn rất nhiều, giúp giảm tiếng ồn động cơ và tổn hao nhiệt đáng kể.

Thông thường, trong các bộ biến tần 3 pha, người ta sử dụng ít nhất 6 khối IGBT (hoặc các module tích hợp 6-trong-1) để điều khiển 3 pha đầu ra (U, V, W). Sự ổn định của toàn bộ hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng chịu tải và tốc độ phản hồi của các linh kiện này.

Cấu tạo IGBT và ký hiệu kỹ thuật đặc trưng

Để hiểu tại sao IGBT lại mạnh mẽ đến vậy, chúng ta cần phân tích sâu vào cấu trúc bên trong của nó. Đây là sự kết hợp lai giữa hai dòng linh kiện bán dẫn phổ biến nhất trong điện tử công suất.

Sự kết hợp hoàn hảo giữa MOSFET và BJT

Cấu tạo IGBT về mặt vật lý gồm các lớp bán dẫn P-N được xếp chồng lên nhau một cách tinh vi. Tuy nhiên, dưới góc độ mạch tương đương, bạn có thể hình dung IGBT có đầu vào là một cấu trúc MOSFET và đầu ra là một cấu trúc BJT.

Cực điều khiển (Gate – G) được cách ly bởi một lớp oxit mỏng, giống như MOSFET. Điều này cho phép IGBT có trở kháng đầu vào cực lớn, nghĩa là nó tiêu thụ rất ít công suất điều khiển. Trong khi đó, dòng điện chính đi qua hai cực Collector (C) và Emitter (E) lại mang đặc tính của BJT, cho phép chịu được dòng điện lớn và điện áp cao với độ sụt áp thấp khi ở trạng thái dẫn. Sự kết hợp này giúp IGBT loại bỏ được nhược điểm của MOSFET (điện trở dẫn lớn ở áp cao) và nhược điểm của BJT (dòng điều khiển lớn và tốc độ chậm).

Ký hiệu các chân cực G, C, E và linh kiện đi kèm

Trong các sơ đồ mạch điện công nghiệp, IGBT được ký hiệu với ba chân chính là G (Gate), C (Collector), và E (Emitter). Một điểm đặc biệt quan trọng mà các kỹ sư cần lưu ý là bên trong các module IGBT biến tần thực tế luôn tích hợp một Diode ngược  mắc song song ngược giữa C và E.

Diode này có nhiệm vụ bảo vệ IGBT khỏi các xung điện áp ngược do tải cảm ứng sinh ra khi IGBT ngắt đột ngột. Nếu không có Diode bảo vệ này, năng lượng từ trường dư thừa trong động cơ sẽ đánh thủng lớp bán dẫn của IGBT ngay lập tức. Khi tiến hành kiểm tra IGBT biến tần, việc đo đạc thông số của Diode này cũng là một bước không thể thiếu để xác định linh kiện còn sống hay đã chết.

Nguyên lý hoạt động IGBT trong mạch nghịch lưu

Nguyên lý hoạt động IGBT dựa trên việc điều khiển điện áp tại cực G để kiểm soát dòng điện chạy từ C sang E. Đây là cơ chế điều khiển bằng điện áp, khác hoàn toàn với BJT là điều khiển bằng dòng điện.

Khi ta đặt một điện áp dương (thường từ +12V đến +15V) lên chân G so với chân E, một kênh dẫn sẽ được hình thành bên dưới lớp cách ly. Kênh dẫn này cho phép các hạt mang điện di chuyển tự do, làm cho IGBT chuyển sang trạng thái “Dẫn” (ON). Lúc này, điện trở giữa C và E rất nhỏ, cho phép dòng điện công suất lớn đi qua để cung cấp cho tải.

Ngược lại, khi điện áp tại chân G được đưa về 0V hoặc giá trị âm (thường là -5V đến -10V để khóa chắc chắn), kênh dẫn sẽ biến mất, chặn đứng dòng điện chạy từ C sang E. IGBT chuyển sang trạng thái “Ngắt” (OFF). Trong biến tần, quá trình ON/OFF này diễn ra với tần số cực cao, từ 2kHz đến 16kHz hoặc cao hơn tùy thuộc vào cài đặt Carrier Frequency. Việc đóng ngắt liên tục theo quy luật PWM giúp hình thành dạng sóng dòng điện hình sin trong cuộn dây động cơ, từ đó điều khiển được tốc độ quay một cách chính xác.

Tại sao IGBT thường bị hỏng trong quá trình vận hành?

Mặc dù là linh kiện công suất cao, nhưng IGBT lại khá nhạy cảm với các biến động của hệ thống. Việc nắm bắt được các nguyên nhân gây ra lỗi IGBT biến tần sẽ giúp kỹ sư có phương án bảo trì phòng ngừa hiệu quả.

1. Quá nhiệt: Đây là nguyên nhân hàng đầu. Khi biến tần làm việc quá tải hoặc hệ thống làm mát bị bẩn, nhiệt độ tại mối nối bán dẫn tăng cao vượt mức cho phép (thường trên 150°C), dẫn đến đánh thủng nhiệt.
2. Quá điện áp: Các xung điện áp cao từ lưới điện hoặc do hiện tượng phản hồi năng lượng khi động cơ dừng nhanh (mà điện trở xả không kịp tiêu thụ) có thể vượt quá ngưỡng chịu đựng Vces của IGBT.
3. Ngắn mạch đầu ra: Nếu dây cáp động cơ bị chạm pha hoặc cuộn dây động cơ bị cháy, dòng điện qua IGBT sẽ tăng vọt tức thời. Dù biến tần có mạch bảo vệ Overcurrent, nhưng trong nhiều trường hợp dòng ngắn mạch quá lớn và quá nhanh vẫn có thể làm nổ IGBT.
4. Lỗi mạch lái: Nếu mạch kích dẫn cho chân G bị lỗi (mất áp, nhiễu hoặc áp kích không đủ), IGBT có thể rơi vào vùng tuyến tính (không dẫn hoàn toàn), gây nóng cực nhanh và cháy nổ.
5. Lão hóa linh kiện: Sau nhiều năm vận hành liên tục, lớp keo tản nhiệt bị khô hoặc các tụ điện Bus DC bị yếu, gây gợn sóng điện áp cao cũng gián tiếp làm giảm tuổi thọ IGBT.

Hướng dẫn chi tiết cách đo và kiểm tra IGBT biến tần

Khi biến tần báo lỗi “Ground Fault”, “Short Circuit” hoặc “Overcurrent” ngay khi vừa cấp nguồn hoặc khi nhấn Run, khả năng cao là IGBT đã gặp vấn đề. Dưới đây là quy trình kiểm tra IGBT biến tần một cách chuyên nghiệp.

Chuẩn bị dụng cụ và an toàn điện

Trước khi tiến hành, bạn cần chuẩn bị một đồng hồ vạn năng có chức năng đo Diode chất lượng tốt (ví dụ Fluke, Kyoritsu hoặc Hioki). quan trọng nhất là phải đảm bảo an toàn:

• Ngắt hoàn toàn nguồn điện cấp vào biến tần.
• Chờ ít nhất 10-15 phút để các tụ điện Bus DC xả hết điện áp. Hãy dùng đồng hồ đo điện áp DC trên hai cực (+) và (-) của Bus DC để chắc chắn điện áp đã về dưới mức an toàn (< 10V).
• Tháo các đầu dây nối ra động cơ (U, V, W) để việc đo đạc không bị sai lệch bởi điện trở cuộn dây.

Cách đo IGBT bằng đồng hồ vạn năng

Phương pháp này dựa trên việc kiểm tra các mối nối P-N và Diode bảo vệ bên trong. Chuyển đồng hồ sang thang đo Diode.

Bước 1: Kiểm tra Diode ngược (C-E)

• Đặt que đỏ (dương) vào chân E và que đen (âm) vào chân C. Lúc này đồng hồ sẽ hiển thị giá trị sụt áp của Diode (thường từ 0.3V đến 0.6V). Nếu kết quả này ok, nghĩa là Diode còn tốt.
• Đảo ngược que đo (đỏ vào C, đen vào E). Đồng hồ phải báo “OL” (hở mạch). Nếu đồng hồ lên kim hoặc báo 0.000V, IGBT đã bị chập (Short circuit) giữa C và E.

Bước 2: Kiểm tra cách điện cực G

• Dùng đồng hồ đo giữa cặp (G – C) và (G – E). Ở cả hai chiều đo, đồng hồ phải luôn báo “OL”. Vì cực G được cách ly bằng lớp Oxit, nên bất kỳ giá trị điện trở nào hiện lên cũng chứng tỏ IGBT đã bị hỏng lớp cách ly cổng. Đây là lỗi rất phổ biến khiến biến tần nổ ngay khi kích lệnh chạy.

Cách kiểm tra nhanh trạng thái đóng ngắt của IGBT

Đây là một mẹo nhỏ để xem IGBT có còn khả năng “mở cổng” hay không bằng chính nội trở của đồng hồ vạn năng.

1. Đảm bảo IGBT đã được xả hết điện tích ở chân G bằng cách chạm ngắn mạch chân G vào chân E.
2. Đo C-E (que đỏ vào C, đen vào E) -> Đồng hồ báo “OL”.
3. Giữ nguyên que đen ở C, nhấc que đỏ chạm vào chân G trong 1-2 giây (để nạp một lượng điện tích nhỏ vào tụ ký sinh cổng), sau đó đưa que đỏ quay lại chân E.
4. Nếu IGBT tốt, lúc này nó sẽ dẫn một phần, đồng hồ sẽ không báo “OL” nữa mà hiện một giá trị điện áp thấp.
5. Muốn khóa lại, bạn chỉ cần chạm tay hoặc dùng dây dẫn nối tắt G và E, kết quả đo C-E sẽ quay về “OL”.

Những lưu ý quan trọng khi thay thế IGBT cho biến tần

Sau khi xác định được IGBT biến tần bị hỏng, việc thay thế cần tuân thủ các quy tắc kỹ thuật khắt khe để tránh làm hỏng linh kiện mới.

• Đúng thông số kỹ thuật: Phải chọn IGBT có dòng định mức (Ic) và điện áp chịu đựng (Vces) bằng hoặc cao hơn linh kiện cũ. Đặc biệt chú ý đến kiểu đóng gói (Package) để đảm bảo lắp vừa vào heatsink.
• Kiểm tra mạch lái (Driver Circuit): Tuyệt đối không thay IGBT mới khi chưa kiểm tra mạch lái. Nếu các Opto cách ly hoặc Transistor kích trên board mạch bị hỏng, nó sẽ gửi điện áp sai lệch và làm nổ IGBT mới ngay lập tức. Hãy đo kiểm các điện trở trở cổng xem có bị cháy không.
• Vệ sinh và tản nhiệt: Làm sạch lớp keo tản nhiệt cũ trên nhôm tản nhiệt. Thoa một lớp keo tản nhiệt mới mỏng và đều. Khi bắt vít, phải vặn chặt tay để đảm bảo tiếp xúc nhiệt tốt nhất nhưng không được quá mạnh làm nứt vỏ gốm của module.
• Sử dụng linh kiện chính hãng: Thị trường hiện nay có rất nhiều IGBT giả, kém chất lượng. Hãy ưu tiên các thương hiệu uy tín như Mitsubishi, Fuji Electric, Infineon, Semikron để đảm bảo độ bền cho hệ thống.

Kết luận

Việc nắm vững kiến thức về IGBT biến tần không chỉ giúp các kỹ sư hiểu sâu về nguyên lý điều khiển động cơ mà còn nâng cao kỹ năng xử lý sự cố trong thực tế. Qua bài viết này, chúng ta đã đi từ khái niệm, cấu tạo cho đến quy trình cách đo IGBT một cách bài bản. Một hệ thống tự động hóa ổn định bắt đầu từ những linh kiện nhỏ nhất được bảo trì đúng cách.

Nếu bạn đang gặp khó khăn trong việc chẩn đoán lỗi biến tần hoặc cần tìm mua các thiết bị tự động hóa chính hãng như PLC, biến tần, động cơ servo và các loại nguồn công nghiệp chất lượng cao, hãy liên hệ ngay với chúng tôi để được hỗ trợ chuyên sâu.

Thông tin liên hệ tư vấn kỹ thuật:

• Hotline/Zalo: 0961320333
• Website: tudonghoatoancau.com
• Tự động hóa toàn cầu: Cung cấp giải pháp tự động hóa toàn diện, linh kiện chính hãng, hỗ trợ kỹ thuật 24/7.