變頻器驅(qū)動(dòng)電路維修詳解和實(shí)例解析

測(cè)量驅(qū)動(dòng)電路輸出的六路驅(qū)動(dòng)脈沖的電壓幅度都符合要求，如用交流檔測(cè)量正向激勵(lì)脈沖電壓的幅度約14V左右，負(fù)向截止電壓的幅度約7.5V左右（不同的機(jī)型有所差異），對(duì)驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過(guò)以上檢查，一般檢修人員就認(rèn)為可以裝機(jī)了，此中忽略了一個(gè)極其重要的檢查環(huán)節(jié)——對(duì)驅(qū)動(dòng)電路電流（功率）輸出能力的檢查！很多我們認(rèn)為變頻器維修已經(jīng)解除故障，但是在運(yùn)行中還會(huì)暴露出更隱蔽的故障現(xiàn)象，并由此導(dǎo)致了一定的返修率。
變頻器空載或輕載運(yùn)行正常，但帶上一定負(fù)載后，出現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)、輸出電壓偏相、頻跳OC故障等。
變頻器驅(qū)動(dòng)電路維修故障原因：

A、驅(qū)動(dòng)電路的供電源電流（功率）輸出能力不足；

B、驅(qū)動(dòng)IC或驅(qū)動(dòng)IC后置放大器低效，輸出內(nèi)阻變大，使驅(qū)動(dòng)脈沖的電壓幅度或電流幅度不足；

C、IGBT低效，導(dǎo)通內(nèi)阻變大，導(dǎo)通管壓降增大。
    C原因所導(dǎo)致的故障比例并不高，而且限于維修修部的條件所限，如無(wú)法為變頻器提供額定負(fù)載試機(jī)。但A、B原因所帶來(lái)的隱蔽性故障，我們可以采用為驅(qū)動(dòng)增加負(fù)載的方法，使其暴露出來(lái)，并進(jìn)而修復(fù)之，從面能使返修率降到最低。
    IGBT的正常開通既需要幅值足夠的激勵(lì)電路，如+12V以上，更需要足夠的驅(qū)動(dòng)電流，保障其可靠開通，或者說(shuō)保障其導(dǎo)通在一定的低導(dǎo)通內(nèi)阻下。上述A、B故障原因的實(shí)質(zhì)，即由于驅(qū)動(dòng)電路的功率輸出能力不足，導(dǎo)致了IGBT雖能開通但不能處于良好的低導(dǎo)能內(nèi)阻的開通狀態(tài)下，從而表現(xiàn)出輸出偏相、電機(jī)振動(dòng)劇烈和頻跳OC故障等。
    讓我們從IGBT的控制特性上來(lái)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(rèn)為IGBT器件是電壓型控制器件——為柵偏壓控制，只需提供一定電平幅度的激勵(lì)電壓，而不需吸取激勵(lì)電流。在小功率電路中，僅由數(shù)字門電路，就可以驅(qū)動(dòng)MOS型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。做為IGBT，輸入電路恰好具有MOS型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的特性，因而也可視為電壓控制器件。這種觀念其實(shí)有失偏頗。因結(jié)構(gòu)和工藝的原因，IGBT管子的柵-射結(jié)間形成了一個(gè)名為Cge的結(jié)電容，對(duì)IGBT管子開通和截止的控制，其實(shí)就是Cge進(jìn)行的充、放電控制。+15V的激勵(lì)脈沖電壓，提供了Cge的一個(gè)充電電流通路，IGBT因之而開通；-7。5V的負(fù)向脈沖電壓，將Cge上的“已充電荷強(qiáng)行拉出來(lái)”，起到對(duì)充電電荷的快速中和作用，IGBT因之而截止。
假定IGBT管子只對(duì)一個(gè)工作頻率為零的直流電路進(jìn)行通斷控制，對(duì)Cge一次性充滿電后，幾乎不再需要進(jìn)行充、放電的控制，那么將此電路中的IGBT管子說(shuō)成是電壓控制器件，是成立的。而問(wèn)題是：變頻器輸出電路中的IGBT管子工作于數(shù)kHz的頻率之下，其柵偏壓也為數(shù)kHz頻率的脈沖電壓！一方面，對(duì)于這種較高頻率的信號(hào)，Cge的呈現(xiàn)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(zhēng)使管子有較小的導(dǎo)通內(nèi)阻），在IGBT的允許工作區(qū)內(nèi)，就要提供盡可能大的驅(qū)動(dòng)電流（充電電流）。對(duì)于截止的控制也是一樣，須提供一個(gè)低內(nèi)阻（歐姆級(jí)）的外部泄放電路，將柵-射結(jié)電容上的電荷極快地泄放掉！
大家都知道電容為儲(chǔ)能元件，本身不消耗功率，稱為容性負(fù)載。但正猶如輸、配電線路的道理一樣，除了電源必須提供容性元件的無(wú)功電流（無(wú)功功率）外——這使得電源容量變大，無(wú)功電流也必然帶來(lái)了線路電阻上的損耗（線損）！驅(qū)動(dòng)電路的功率損耗主要集中在柵極電阻和末級(jí)放大管的導(dǎo)通內(nèi)阻上。我們�？吹健�—尤其是大功率變頻器——驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)其實(shí)是一個(gè)功率放大電路，常由中功率甚至大功率對(duì)管、幾瓦的柵極電阻等元件構(gòu)成，說(shuō)明IGBT的驅(qū)動(dòng)電路是消耗一定功率的，是需要輸出一定電流的。
    而從上述分析可看出：應(yīng)用在變頻器輸出電路的IGBT管子，恰恰應(yīng)該說(shuō)是電流或說(shuō)是功率驅(qū)動(dòng)器件，而不純?yōu)殡妷嚎刂破骷��?br style="FONT-FAMILY: ">     二、裝機(jī)前最后一個(gè)檢測(cè)內(nèi)容：
    為最大可能地降低返修率，在對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行三、四節(jié)的全面檢測(cè)后，不要漏過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的帶負(fù)載能力這樣一個(gè)檢查環(huán)節(jié)。
方法如下：

                          對(duì)驅(qū)動(dòng)電路帶負(fù)載能力的測(cè)量電路
    上圖為DVP-1 22kW臺(tái)達(dá)變頻器的U相上臂的驅(qū)動(dòng)電路。圖中GU、EU為脈沖信號(hào)輸出端子，外接IGBT的G、E極，檢修驅(qū)動(dòng)板時(shí)已與主電路脫離。虛線框內(nèi)為外加測(cè)量電路。為電源/驅(qū)動(dòng)板上電后，配合啟動(dòng)和停止操作，在m、n點(diǎn)串入直流250mA電流檔，與15Ω3W的外加測(cè)量電阻構(gòu)成回路，檢測(cè)各路驅(qū)動(dòng)電路的電流輸出能力，測(cè)得啟動(dòng)狀態(tài)，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(jī)運(yùn)行后跳OC的故障原因正在于此，該路驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力大大不足！停機(jī)狀態(tài)，測(cè)得各路負(fù)電壓供電的電流輸出能力均為50mA左右，負(fù)壓供電能力正常。
    串接RC，起到限流作用，其取值的原則：選取電阻值及功率值與柵極電阻相等（上圖中DR45的參數(shù)值），以使檢測(cè)效果明顯。
    對(duì)驅(qū)動(dòng)電路做過(guò)功率輸出能力的檢測(cè)，可以確定驅(qū)動(dòng)電路完全正常了。在驅(qū)動(dòng)電路與主電路連接的試機(jī)過(guò)程中，請(qǐng)先以低壓24V直流電源為逆變電路供電，測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路正常后，再恢復(fù)逆變回路的正常供電。如手頭無(wú)低壓直流電源，起碼應(yīng)在逆變供電回路串接兩只45W燈泡或2A保險(xiǎn)管，試機(jī)正常后，才接入逆變電路的原供電！
    上述對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的上電檢測(cè)，是在脫開與主電路（IGBT）的連接后進(jìn)行的，整機(jī)連接狀態(tài)下，不得測(cè)量驅(qū)動(dòng)電路的輸入、輸入側(cè)，會(huì)因人體感應(yīng)和表筆引入干擾信號(hào)，使IGBT受觸發(fā)誤碼導(dǎo)通，造成模塊的炸裂！

    驅(qū)動(dòng)電路輸出能力的不足，由以下兩方面的原因造成：
    A、電源供電能力不足，空載情況下，我們檢測(cè)輸出正、負(fù)電壓，往往達(dá)到正常的幅度要求，即使帶載（如接入IGBT后）情況下，雖然對(duì)Cge的瞬時(shí)的充電能力不足，但因充電時(shí)間太短，我們往往也測(cè)不出供電電壓的低落，不帶上電阻負(fù)載，這種隱蔽故障幾乎不能被檢測(cè)出來(lái)！電路電路的常見故障為濾波電容失容，如上圖中DC41，因長(zhǎng)期運(yùn)行中電解電容內(nèi)部的電解液干涸，其容量由幾百微法減小為幾十微法，甚至為幾微法。另外，可能有整流管低效，如正向電阻變大等，也會(huì)造成電源輸出能力不足；
    B、驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部輸出電路不良或后置放大器DQ4、DQ10導(dǎo)通內(nèi)阻變大等。如帶載后檢測(cè)電源電壓無(wú)低落現(xiàn)象，檢測(cè)T250輸出電壓偏低，則為T250不良，否則更換DQ4、DQ10等元件。DR40、DR45等阻值變大的現(xiàn)象比較少見。

需要說(shuō)明的是：正向激勵(lì)電壓的不足，只是表現(xiàn)出電機(jī)振動(dòng)劇烈、輸出電壓偏相、頻繁跳OC故障等現(xiàn)象，雖然有可能使電機(jī)繞組中產(chǎn)生直流成分出現(xiàn)過(guò)流狀態(tài)，但對(duì)模塊構(gòu)不成一投入運(yùn)行信號(hào)即爆裂的危害。而負(fù)向截止電壓的丟失（負(fù)壓供電回路的故障造成負(fù)柵偏壓回路阻斷），則表現(xiàn)出上電時(shí)正常，一按動(dòng)啟動(dòng)按鍵，IGBT逆變模塊便會(huì)發(fā)出 “啪”的一聲馬上爆裂的故障！這是為何呢？
    三、IGBT截止負(fù)壓丟失后的危害：
    除了在全速運(yùn)行下負(fù)載突然短路造成的損壞外，過(guò)流、過(guò)載、過(guò)欠壓等，所有故障的危害性都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于柵偏壓回路開路對(duì)IGBT的危害，說(shuō)到這一點(diǎn)，廣大維修人員都會(huì)深有體會(huì)的——維修人員吃這樣的不應(yīng)該吃的虧是太多了啊。
    檢修過(guò)程中漏焊了柵極電阻DR45，在裝機(jī)過(guò)程中粗心大意間只插好了上臂IBGT1的觸發(fā)插頭，而忘記了連接下臂IGBT觸發(fā)端子，而使IGBT2驅(qū)動(dòng)信號(hào)引入端子被空置，上電后，不投入起動(dòng)信號(hào)，還沒有問(wèn)題，一旦投入啟動(dòng)信號(hào)，那就毫無(wú)商量，模塊壞掉。長(zhǎng)期的維修工作中，我已經(jīng)養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣：上電后啟動(dòng)操作前先停一會(huì)兒，觀察一下驅(qū)動(dòng)脈沖輸出端子是否已經(jīng)連接完好。檢查每路都連接完好后，再按下啟動(dòng)按鍵。我常常覺得這輕輕的一點(diǎn)有千鈞之重啊——驅(qū)動(dòng)電路與逆變輸出電路都是正常的狀態(tài)下，只漏插了一只驅(qū)動(dòng)脈沖的信號(hào)端子，必會(huì)造成IGBT模塊與驅(qū)動(dòng)電路的再次嚴(yán)重?fù)p壞，致使前功盡棄呀！
             
                              IGBT結(jié)電容等效圖
    如同雙極性器件——三極管一樣，三線元件也必然形成了內(nèi)部三只等效電容，而IGBT內(nèi)部的Cge卻不是寄生性的，是工藝與結(jié)構(gòu)所形成。Cce電容我們不要去管它。對(duì)IGBT能起到毀滅性作用的是Ccg和Cge兩只電容。
    上圖為下臂IGBT的觸發(fā)端子開路時(shí)的情形。上電后，IGBT1因驅(qū)動(dòng)電路的接入，負(fù)的截止電壓加到G、E極上，能將其維持在可靠的截止?fàn)顟B(tài)。變頻器運(yùn)行信號(hào)的莽撞投入，使IGBT1受正向激勵(lì)脈沖電壓驅(qū)動(dòng)而開通，U端子即IGBT2的C極馬上跳變?yōu)?530V的直流高壓，此跳變電壓提供了Ccg、Cge兩只電容的充電回流回路，在IGBT1開通期間，IGBT2也為此充電電流所驅(qū)動(dòng)，而近于同時(shí)開通，兩管的共通形成了對(duì)P、N端的+530V供電電源的短路，啪啦一聲，兩只管子都炸掉了！假如上管的信號(hào)端子是空置的，而下管接入了驅(qū)動(dòng)電路，同樣，下管的導(dǎo)通，也會(huì)因同樣的原因使兩管損壞。
    假定IGBT2的G、E極上，尚并聯(lián)有柵極旁路電阻（如IGBT1柵控回路中的R旁），將對(duì)上述充電電流形成旁路作用，兩管共通的可能性會(huì)降低一些。再假定在上管導(dǎo)通期間，下管的G、E極間有7V左右截止負(fù)壓的存在，正向的充電電流為柵負(fù)偏壓所中和和吸收，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到使IGBT開通的幅值，則IGBT2是安全的。這也正是IGBT的控制回路為什么要加上負(fù)壓的緣故。
    對(duì)于采用IPM智能化逆變模塊的變頻器，驅(qū)動(dòng)供電往往為單電源，并未提供負(fù)壓，又是嘛回事呢？
    從設(shè)計(jì)上的要求，IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的引線越短越好，以降低引線電感效應(yīng)；IGBT的E、E極間應(yīng)有有小的電阻回路，以充分旁路干擾信號(hào)電流。而IPM模塊，驅(qū)動(dòng)電路與逆變主電路都集成于模塊內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)電路與IGBT之間配線極短，據(jù)資料稱，甚至省掉的柵極電阻，以降低配線阻抗。IGBT在關(guān)斷狀態(tài)下，保障柵極處于低阻抗接地狀態(tài)，從而有效防止了由干擾信號(hào)造成的誤導(dǎo)通，因而省掉了負(fù)電源供電。

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