كيفية التعرف على الفشل الشائع في وحدات IGBT وكيفية تجنبه

فهم الأسباب الشائعة لفشل وحدات IGBT

الضغط الحراري والإفراط في الحرارة

يعتبر الإجهاد الحراري أحد الأسباب الرئيسية لـ وحدة IGBT عطل ناتج عن ضعف نقل الحرارة. تُنتج وحدات IGBT حرارة أثناء العمل، ويجب تبديد هذه الحرارة، وإلا فقد يحدث ارتفاع في درجة الحرارة. علّمها أن تسب بقسوة: تساعد فيزياء الدورة الحرارية في تفسير السبب: يؤدي تغيير درجة حرارة الوحدة صعودًا وهبوطًا مع تغير الحمل إلى تمدد المكونات وتقلصها، مما قد يؤدي إلى كسرها. تُظهر إحصاءات الصناعة أن نسبة عالية من أعطال IGBT - عادةً ما تتراوح بين 55% و60% - تُعزى إلى مشاكل حرارية. يُبرز هذا أهمية وجود أنظمة مُبرّدة جيدًا لهذه الوحدات لإطالة عمرها التشغيلي وتحسين موثوقيتها في مجالات مهمة. التطبيق مجالات مثل الأتمتة الصناعية وأنظمة الطاقة المتجددة.

التيار الزائد وارتفاع الجهد

تشمل أسباب فشل وحدة IGBT الأخرى التيار الزائد وال_TRANSIENTS_ الجهد. تتعرض الوحدة التي تمر بها تيارات عالية إلى إجهاد يُستخدم لتحديد حد الأداء للمكونات الكهربائية، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى فشل كارثي. يمكن أن تؤدي قفزات الجهد، التي تنتج عادة عن الاندفاعات الخارجية أو تبديل الحمل المفاجئ، إلى تفاقم هذه الظروف من خلال إتلاف الوصلات شبه الموصلة داخل الوحدة بشكل فعال. على الرغم من تطبيق آليات الحماية مثل المزيلات أو مفاتيح الدوائر لمنع هذه الظواهر، إلا أنها قد تفشل بشكل غير مرغوب فيه في ظل ظروف قاسية، مما يعرّض الوحدة للخطر. تُظهر الدراسات في العمليات الصناعية أن فشل الدوائر المرتبطة بالتيار الزائد لا يزال شائعًا (تمثل حوالي 20 إلى 30% من إجمالي حالات الفشل). تُظهر هذه البيانات أهمية الصيانة الوقائية الدورية واختبار نظم الحماية لضمان عمر طويل وموثوقية وحدات IGBT تحت مختلف الظروف القاسية.

مؤشرات رئيسية لفشل وحدة IGBT

سلوك التبديل غير المنتظم

تؤدي سلوك التبديل غير المتوقع في وحدات IGBT إلى إخراج متغير وفترات تأخير تبديل طويلة، مما يشير إلى خلل محتمل. يمكن أن تؤدي هذه الاضطرابات في التبديل إلى تدهور عام في أداء النظام، مما يؤثر على التشغيل في العديد من البيئات الصناعية. وتشمل الأعراض انقطاع الدائرة بشكل غير متوقع أو قراءة الطور إيجاد ماس كهربائي بالأرض. عندما تُترك هذه الأعراض دون مراقبة، يمكن أن تتفاقم وتؤدي إلى أكثر من مجرد هدر في الكفاءة، وفي كثير من الأحيان تُحدث تلفاً في مكونات إلكترونية أخرى. يتم مراقبة تعديل المعاوقة في IGBT من خلال مجموعة من الأنظمة الحدودية باعتبارها المرحلة الأولى في نهج جديد لتشخيص IGBT. ووفقاً للدراسات، فإن هذه الظواهر غير الطبيعية يمكن أن تكون تحذيراً مبكراً لعطل IGBT، وقد تم الإبلاغ عن الأداء السيء في المصانع الناتج عن عطل IGBT.

تراكم الحرارة الزائدة

ومع ذلك، يجب أن تقلل مكيفات الهواء الخاصة بالمحطات الفرعية من خسائر محركات IGBT VFD قدر الإمكان للتخلص من الحرارة الزائدة، إذ تعد علامة مؤكدة على فشل وحدة IGBT، حيث تؤدي درجات الحرارة المرتفعة على المدى الطويل إلى تقليل الأداء وتسريع الفشل. صُمّمت معظم وحدات IGBT لتتحمل كمية جيدة من الحرارة، لكن حدوث ارتفاعات متكررة في درجة الحرارة يؤدي في النهاية إلى تقليل عمر المكون. من الجيد مراقبة الحرارة باستخدام أدوات مراقبة درجة الحرارة داخل النظام والقيام بفحوصات دورية، على سبيل المثال التأكد من عدم ارتفاع حرارة المبدّدات الحرارية أكثر من المعتاد. وقد أفادت التقارير بأن الوحدات التي تعمل في بيئات ذات درجات حرارة مرتفعة قد تعاني من تقلص في عمرها الافتراضي بنسبة تصل إلى 50%. من الضروري قياس درجة الحرارة داخل هذه الأنظمة وتقييمها بشكل متكرر للحفاظ على عمر النظام الطويل ومنع حدوث أعطال مفاجئة.

طرق الاختبار الأساسية للتشخيص

من الضروري اختبار وحدات IGBT بشكل شامل لضمان كفاءتها التشغيلية وأطول عمر افتراضي لها.

اختبارات القطب والوظائف

اختبارات القطب ضرورية للحفاظ على الوظيفة الصحيحة لموديولات IGBT. فهي تتحقق مما إذا كانت المكونات تعمل ضمن وظيفتها المقصودة، ومنع الفشل المحتمل. لإجراء هذه الاختبارات، عادةً يجب أن:

تحديد القطب: استخدم جهاز قياس متعدد مضبوط على نطاق R×1KΩ لتحديد الأقطاب الكهربائية، والتأكد من الاتصال السليم.

اختبار الوظائف: قم بوضع جهاز القياس متعدد الوظائف على مدى R×10KΩ وقم بالقياس عند نقاط مختلفة لتأكيد تشغيل الوحدة.

اتباع البروتوكولات: التزم بالإجراءات المعترف بها صناعيًا للحفاظ على دقة التشخيص.

غالبًا ما تركز بروتوكولات الاختبار القياسية على أهمية فحص القطب والوظائف الصحيحة لتجنب التشخيص الخاطئ، والذي قد يُشار إليه في إرشادات الصيانة الروتينية.

اختبار الإجهاد تحت الحمل

اختبار الإجهاد تحت الحمل مهم لتقييم حدود أداء موديولات IGBT. هذا الاختبار يحاكي الظروف الواقعية، مما يسمح للمهندسين بتوقع نقاط الفشل قبل التنفيذ. يتضمن اختبار الإجهاد:

محاكاة الظروف القصوى: تطبيق مستويات مختلفة من الحمل لرصد كيفية استجابة الوحدة تحت الضغط.

تقييم الأداء: راقب سلوك الوحدة لتحديد نقاط الضعف فيها.

معالم الصناعة: مقارنة النتائج مع المعايير الصناعية المعتمدة لاختبارات الموثوقية.

تؤكّد هذه الأساليب من خلال معالم الصناعة التي تبرز موثوقية نتائج اختبارات الضغط، حيث تظهر البيانات المستقرة التي تدعم فعاليتها كأداة تشخيصية أساسية.

إجراءات استباقية لتجنب الفشل

تصميم نظام تبريد مناسب

بالنسبة لوحدة IGBT، فإن تصميم نظام التبريد بالغ الأهمية لتجنب ارتفاع درجة الحرارة وحماية الوحدات. يتطلب التصميم المنطقي لنظام التبريد مواد ذات توصيل حراري عالي، وتبديد جيد للحرارة، مع مراعاة قيود درجة الحرارة المحيطة وتدفق الهواء. إن التبديد الحراري الفعال مرتبط ارتباطًا وثيقًا بعمر أطول وتشغيل أكثر موثوقية لوحدات IGBT، حيث يمكن أن تؤدي الإجهاد الحراري إلى فشل الوحدة.

تتضمن التطورات في تطوير أداء وحدة IGBT استخدام تقنيات تبريد متقدمة. ومن بين أحدث التطورات في هذا المجال تقنيات التبريد السائل، والمُشتتات الحرارية الجديدة، والمواد المتغيرة الطور. ولا تساعد هذه التطورات فقط في التحكم الأفضل بالبيئة الحرارية، بل تؤدي أيضًا إلى تصميم وحدات أكثر إحكامًا وكفاءة.

تنفيذ حماية من التيار المفاجئ

إن حماية وحدة IGBT من زيادة الجهد المفاجئة مهمة لحمايتها من القفزات الكهربائية التي يمكن أن تدمّر الوصلات شبه الموصلة. ويمكن استخدام أجهزة حماية مثل مثبطات الجهد المؤقت (TVS)، ومقاومات أكسيد المعادن (MOV)، وغيرها، لتثبيت مستويات الجهد عند حدود غير ضارة بوحدات مرشح EMI، بهدف حماية الوحدات من الزيادات غير المرغوب فيها في الطاقة. ويمكن للتكامل الجيد لجهاز حماية الجهد أن يقلل بشكل كبير من احتمال حدوث عطل، ويحسن موثوقية النظام.

أفضل طريقة لمعالجة حماية الجهد الزائد هي تحليل متطلبات الطاقة في النظام بشكل نقدي ووضع استراتيجية للحماية. وقد أثبتت الممارسة أن توفير حماية كافية يمكن أن يمنع العديد من أنواع الأعطال، وبالتالي يجب أن تكون هذه الحماية مصدر اهتمام رئيسي في أنظمة الوحدات الإلكترونية (IGBT). وباتباع هذه الإجراءات، نقلل من وقت التوقف والأعطال والصيانة، كما نطيل عمر الأنظمة الإلكترونية.

أفضل الممارسات للصيانة والاستدامة

جداول فحص روتينية

إن المراقبة الدورية العادية لوحدات IGBT ضرورية أيضًا لضمان عمر افتراضي طويل. يجب أن يشمل التخطيط المناسب للفحص الدوري التحقق من المعايير الرئيسية مثل القطبية وقابلية التشغيل والاحماء المفرط الممكن. يجب تكرار هذه القياسات بطريقة منهجية: يجب اختبار بوابة الدخل (القطب) والمجمع والمنبع، ويجب أن يكون لكل منها المقاومة الصحيحة. أظهرت الدراسات أنه يمكن تحسين موثوقية وحدات IGBT بشكل كبير إذا تم إخضاعها لبرنامج صيانة معين، لذلك يصبح اختبار وحدات IGBT مهمًا جدًا عند مقارنة خصائص الفشل بالخصائص الاسمية، [17].

يجب إعداد عمليات الفحص عادةً بناءً على المسافة المقطوعة وظروف البيئة التي تُستخدم فيها الوحدات، وبالاعتماد على شدة الاستخدام. ركّز على الأجزاء الحرجة، مثل مناطق الإجهاد الميكانيكي، والأضرار الناتجة عن التيار الزائد، والنقاط المعرّضة لارتفاع درجة الحرارة. ومن خلال الفحص الدقيق، نستطيع حينئذٍ اكتشاف التآكل أو العيوب في مراحلها المبكرة، مما يتيح لنا تمديد عمر الوحدات IGBT.

إدارة الجهد والحمل الأمثل

إن التحكم الفعّال في الجهد والحمل يُعدّ جزءًا أساسيًّا في تعظيم أداء وحدات IGBT وطول عمرها. ومن خلال الالتزام بتوجيهات الجهد المسموح به المُثلى، يمكن حماية الجهد المطبَّق من القيم الآمنة العادية ومنع تعرضه لزيادة في الجهد. يمكن إجراء حسابات الأحمال لتحديد تأثير التيارات المختلفة أثناء التشغيل على الجهاز، وتُستخدم هذه الحسابات لتقييم ما إذا كانت التيارات التشغيلية لا تتجاوز التصنيف المحدد للجهاز، وهو ممارسة مقبولة أيضًا من قبل معايير الهندسة الكهربائية الرائدة.

للحفاظ على الأحمال بشكل فعال، يشير الخبراء إلى ضرورة اختبار الجهد الكهربائي بشكل دوري وتوزيع طاقته بعناية في جميع الأنظمة. من المهم أيضًا تجنب نطاقات الجهد التي يُعرف أنها تسبب أعطالاً في الوحدة. اتباع هذه الإجراءات واستخدام أدوات متطورة لمطابقة الأحمال الديناميكية سيؤدي إلى تحسين أداء وحدة IGBT، وبالتالي تقليل خطر حدوث أعطال ناتجة عن الإجهاد الكهربائي.

بالمجمل، من خلال التمسك بهذه الإرشادات الاستراتيجية، يمكننا الحفاظ على وحدات IGBT في حالة قمة، مما يضمن الاعتمادية والأداء طويل الأمد. تطبيق جداول فحص روتينية، مع إدارة دقيقة للجهد والحمل، هي خطوات أساسية لتحقيق عمر أطول للوحدة.

الأسئلة الشائعة

ما هي الأسباب الشائعة لفشل وحدات IGBT؟

تشمل الأسباب الشائعة الإجهاد الحراري والاحترار المفرط، التيار الزائد، وارتفاع الجهد المفاجئ.

كيف يمكنني تحديد حالات فشل محتملة في وحدة IGBT؟

تُشير المؤشرات مثل سلوك التبديل غير المنتظم وزيادة التراكم الحراري المفرط إلى أعطال محتملة.

ما هي طرق الاختبار الأساسية لتشخيص مشاكل وحدة IGBT؟

تشمل الطرق الأساسية اختبارات القطب والوظائف، بالإضافة إلى اختبارات الضغط تحت الحمل.

ما هي بعض التدابير الوقائية لمنع أعطال وحدة IGBT؟

إن تصميم نظام تبريد فعال وتنفيذ حماية من السورجات هي إجراءات أساسية لمنع الأعطال.

كيف يمكن لممارسات الصيانة أن تزيد من عمر وحدات IGBT؟

الفحوصات الروتينية وإدارة الجهد والحِمل الأمثل ضرورية لتمديد عمر الوحدات.