一文解析變頻器IGBT模塊的靜態(tài)測量

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

IGBT結(jié)構(gòu)

左邊所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極（即發(fā)射極E）。N基極稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。

IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP（原來為NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對N-層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。

IGB模塊原理電路分析

IGBT模塊有三個端子，分別是G，D，S，在G和S兩端加上電壓后，內(nèi)部的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移（半導(dǎo)體材料的特點，這也是為什么用半導(dǎo)體材料做電力電子開關(guān)的原因），本來是正離子和負(fù)離子一一對應(yīng)，半導(dǎo)體材料呈中性，但是加上電壓后，電子在電壓的作用下，累積到一邊，形成了一層導(dǎo)電溝道，因為電子是可以導(dǎo)電的，變成了導(dǎo)體。如果撤掉加在GS兩端的電壓，這層導(dǎo)電的溝道就消失了，就不可以導(dǎo)電了，變成了絕緣體。

若在IGB模塊T的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。

由此可見，IGBT模塊在依照我們國內(nèi)的技術(shù)也可能沒有達(dá)到市場的一般，我國的IGBT模塊依然是依賴進口滿足市場。

變頻器IGBT模塊常見故障處理

變頻器由主回路、電源回路、IGBT驅(qū)動及保護回路、冷卻風(fēng)扇等幾部分組成。其結(jié)構(gòu)多為單元化或模塊化形式。由于使用方法不正確或設(shè)置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動作及發(fā)生故障，或者無法滿足預(yù)期的運行效果。為防患于未然，事先對故障原因進行認(rèn)真分析尤為重要。

1、主回路常見故障分析

主回路主要由三相或單相整流橋、平滑電容器、濾波電容器、IGBT逆變橋、限流電阻、接觸器等元件組成。其中許多常見故障是由電解電容引起。電解電容的壽命主要由加在其兩端的直流電壓和內(nèi)部溫度所決定，在回路設(shè)計時已經(jīng)選定了電容器的型號，所以內(nèi)部的溫度對電解電容器的壽命起決定作用。因此一方面在安裝時要考慮適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度，另一方面可以采取措施減少脈動電流。采用改善功率因數(shù)的交流或直流電抗器可以減少脈動電流，從而延長電解電容器的壽命。

在電容器維護時，通常以比較容易測量的靜電容量來判斷電解電容器的劣化情況，當(dāng)靜電容量低于額定值的80%，絕緣阻抗在5MΩ以下時，應(yīng)考慮更換電解電容器。

2、主回路典型故障分析

故障現(xiàn)象：變頻器在加速、減速或正常運行時出現(xiàn)過電流跳閘。

洛陽變頻器銷售首先應(yīng)區(qū)分是由于負(fù)載原因，還是變頻器的原因引起的。如果是變頻器的故障，可通過歷史記錄查詢在跳閘時的電流，超過了變頻器的額定電流或電子熱繼電器的設(shè)定值，而三相電壓和電流是平衡的，則應(yīng)考慮是否有過載或突變，如電機堵轉(zhuǎn)等。在負(fù)載慣性較大時，可適當(dāng)延長加速時間，此過程對變頻器本身并無損壞。若跳閘時的電流，在變頻器的額定電流或在電子熱繼電器的設(shè)定范圍內(nèi)，可判斷是IGBT模塊或相關(guān)部分發(fā)生故障。首先可以通過測量變頻器的主回路輸出端子U、V、W，分別與直流側(cè)的P、N端子之間的正反向電阻，來判斷IGBT模塊是否損壞。如模塊未損壞，則是驅(qū)動電路出了故障。如果減速時IGBT模塊過流或變頻器對地短路跳閘，一般是逆變器的上半橋的模塊或其驅(qū)動電路故障；而加速時IGBT模塊過流，則是下半橋的模塊或其驅(qū)動電路部分故障，發(fā)生這些故障的原因，多是由于外部灰塵進入變頻器內(nèi)部或環(huán)境潮濕引起。

3、控制回路故障分析

控制回路影響變頻器壽命的是電源部分，是平滑電容器和IGBT電路板中的緩沖電容器，其原理與前述相同，但這里的電容器中通過的脈動電流，是基本不受主回路負(fù)載影響的定值，故其壽命主要由溫度和通電時間決定。由于電容器都焊接在電路板上，通過測量靜電容量來判斷劣化情況比較困難，一般根據(jù)電容器環(huán)境溫度以及使用時間，來推算是否接近其使用壽命。

電源電路板給控制回路、IGBT驅(qū)動電路和表面操作顯示板以及風(fēng)扇等提供電源，這些電源一般都是從主電路輸出的直流電壓，通過開關(guān)電源再分別整流而得到的。因此，某一路電源短路，除了本路的整流電路受損外，還可能影響其他部分的電源，如由于誤操作而使控制電源與公共接地短接，致使電源電路板上開關(guān)電源部分損壞，風(fēng)扇電源的短路導(dǎo)致其他電源斷電等。一般通過觀察電源電路板就比較容易發(fā)現(xiàn)。

邏輯控制電路板是變頻器的核心，它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大規(guī)模集成電路，具有很高的可靠性，本身出現(xiàn)故障的概率很小，但有時會因開機而使全部控制端子同時閉合，導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)EEPROM故障，這只要對EEPROM重新復(fù)位就可以了。

IGBT電路板包含驅(qū)動和緩沖電路，以及過電壓、缺相等保護電路。從邏輯控制板來的PWM信號，通過光耦合將電壓驅(qū)動信號輸入IGBT模塊，因而在檢測�？斓耐瑫r，還應(yīng)測量IGBT模塊上的光耦。

4、冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)主要包括散熱片和冷卻風(fēng)扇。其中冷卻風(fēng)扇壽命較短，臨近使用壽命時，風(fēng)扇產(chǎn)生震動，噪聲增大最后停轉(zhuǎn)，變頻器出現(xiàn)IGBT過熱跳閘。冷卻風(fēng)扇的壽命受陷于軸承，大約為10000～35000h。當(dāng)變頻器連續(xù)運轉(zhuǎn)時，需要2～3年更換一次風(fēng)扇或軸承。為了延長風(fēng)扇的壽命，一些產(chǎn)品的風(fēng)扇只在變頻器運轉(zhuǎn)時而不是電源開啟時運行。

5、外部的電磁感應(yīng)干擾

洛陽變頻器銷售如果變頻器周圍存在干擾源，它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內(nèi)部，引起控制回路誤動作，造成工作不正�；蛲�機，嚴(yán)重時甚至損壞變頻器。減少噪聲干擾的具體方法有：變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上，加裝防止沖擊電壓的吸收裝置，如RC浪涌吸收器，其接線不能超過20cm；盡量縮短控制回路的5mm以上，與主回路保持10cm以上的間距；變頻器距離電動機很遠(yuǎn)時（超過100m），這時一方面可加大導(dǎo)線截面面積，保證線路壓降在2%以內(nèi)，同時應(yīng)加裝變頻器輸出電抗器，用來補償因長距離導(dǎo)線產(chǎn)生的分布電容的充電電流。變頻器接地端子應(yīng)按規(guī)定進行接地，必須在專用接地點可靠接地，不能同電焊、動力接地混用；變頻器輸入端安裝無線電噪聲濾波器，減少輸入高次諧波，從而可降低從電源線到電子設(shè)備的噪聲影響；同時在變頻器的輸出端也安裝無線電噪聲濾波器，以降低其輸出端的線路噪聲。

變頻器IGBT模塊檢測方法

1、判斷極性

首先將萬用表撥在R×1KΩ擋，用萬用表測量時，若某一極與其它兩極阻值為無窮大，調(diào)換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無窮大，則判斷此極為柵極（G ）其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調(diào)換表筆后測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中，則判斷紅表筆接的為集電極（C）;黑表筆接的為發(fā)射極（E）。

2、判斷好壞

將萬用表撥在R×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT 的集電極（C），紅表筆接IGBT 的發(fā)射極（E），此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下柵極（G）和集電極（C），這時IGBT 被觸發(fā)導(dǎo)通，萬用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同時觸及一下柵極（G）和發(fā)射極（E），這時IGBT 被阻斷，萬用表的指針回零。此時即可判斷IGBT 是好的。

3、檢測注意事項

任何指針式萬用表皆可用于檢測IGBT。注意判斷IGBT 好壞時，一定要將萬用　表撥在R×10KΩ擋，因R×1KΩ擋以下各檔萬用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測好壞時不能使IGBT 導(dǎo)通，而無法判斷IGBT 的好壞。此方法同樣也可以用于檢測功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）的好壞。

變頻器IGBT模塊的靜態(tài)測量

變頻器所用IGBT模塊為七單元一體化模塊（型號為FP15R12KE3G），即三單元整流、三單元逆變和一單元制動。自帶模塊溫度自檢單元。用萬用表的二極管檔測量。

FP15R12KE3G模塊實物圖

1、整流橋的靜態(tài)測量

三相橋式整流電氣原理圖見圖，測量方法同普通二極管，詳見第二章第二節(jié)相關(guān)內(nèi)容。整流單元測量參考數(shù)據(jù)見表1.1。

1.1.2三相橋式整流和IGBT電氣原理圖

2、逆變續(xù)流二極管的靜態(tài)測量

逆變單元電氣原理圖見圖1.1.2，測量方法同普通二極管。一般情況下，可通過測量IGBT的續(xù)流二極管判斷其損壞情況，數(shù)據(jù)參考表1.1.3。

3、制動單元的靜態(tài)測量

制動單元原理圖見圖1.1.3。

圖中BRK為制動觸發(fā)端。根據(jù)使用環(huán)境，用戶可在端子P和PB之間接制動電阻，電阻規(guī)格的選取參考KVFC+系列變頻器用戶手冊，此處不再贅述。

圖1.1.3 制動單元電氣原理圖

表1.1 七單元IGBT測量參考值

快速測量模塊小技巧：放在P端子上的表筆不動，另一表筆分別測量R、S、T、PB、U、V、W、N，再對照上表中的參考數(shù)值，判斷其正常與否。實際測量的數(shù)值在與表中的范圍或差距別不大即算正常。見圖1.1.4。

圖1.1.4IGBT測量過程及結(jié)果

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             變頻器IGBT場效應(yīng)管故障原理及維修方法