變頻器IGBT模塊故障與驅(qū)動電路（電壓）的關(guān)系

摘要:??? 國內(nèi)廠礦企業(yè)對變頻器的應(yīng)用已基本上普及，凡是用到電動機的地方，幾乎就會見到變頻器的蹤影。變頻器是強電與弱電的有機結(jié)合；是硬件與軟件的有機結(jié)合。它強大的功能、完善的檢測和保護電路、控制上的智能化和靈活多變；它的電氣元器件的非通用性和特殊要求，使的檢修思路和方法也有其獨特性。變頻器和PLC等工控設(shè)備的應(yīng)用和普及，對其維修甚至形成了一個專門的行業(yè)，成為電氣技術(shù)的一個分支。也使得電工的概念發(fā)生了深刻變化。主要通過對通用變頻器逆變模塊及驅(qū)動電路的分析，了解IGBT一些故障的常見形式及特點,滿足解決維修實際問題的需要。
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通常認為IGBT器件是電壓型控制器件，只需提供一定電平幅度激勵電壓,而不需要吸取激勵電流。因為IGBT柵—射極間 存在一個結(jié)電容，在對其進行開通和截止過程，實質(zhì)上是對IGBT柵—射極間結(jié)電容進行充電、放電的過程。這個充電放電的過程和形成了一定的峰值電流。另一方面，變頻器輸出電路中的IGBT工作于數(shù)KHz的脈沖之下，其柵偏壓也為數(shù)KHz的脈沖電壓。電容有通交隔直的特性，相對于數(shù)十KHz的脈沖電壓，電容的容抗較小，因而形成較大的充放電流。因此，通過上述分析，可以得出：用在變頻器輸出電路的IGBT應(yīng)是電流或功率驅(qū)動器件，而不是純電壓控制器件。驅(qū)動電路（注1）的輸出級，也應(yīng)是一個功率放大電路。因為IGBT的驅(qū)動是消耗一定功率，要輸出一定電流的。故功率較大的IGBT 模塊需由功率放大電路來驅(qū)動。
所以說：
（1）為了使IGBT迅速開通，而給出正柵偏壓的時間很短，就要提供盡可能大的驅(qū)動電流（充電電流），保證IGBT快速可靠地開通，導(dǎo)通時要有一定的飽和深度，以減小導(dǎo)通損耗。但是，并非Uce越高越好，一般選+10~15V。對于截止的控制也是一樣，須驅(qū)動電路對柵—射結(jié)電容上的電荷進行快速釋放。為了使IGBT 截止可靠，就要提供足夠幅度截止負壓來滿足IGBT 關(guān)斷的要求,也應(yīng)對截止狀態(tài)的IGBT加一反向柵壓（一般為-5~-15V)，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。
（2）驅(qū)動電路的基本要求較高，應(yīng)具有以下基本性能：1·動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。2·驅(qū)動器的內(nèi)阻也不能過小，以免回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩。3·有足夠的輸入、輸出電隔離能力。驅(qū)動電路作為逆變電路關(guān)系密切的一部分,對變頻器的三相輸出有著巨大的影響。驅(qū)動電路的性能、質(zhì)量，是保證IGBT模塊正常工作的重要條件。
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IGBT模塊工作在高電壓、高頻率、大電流狀態(tài)下。IGBT模塊，逆變頻率達18KHZ，動態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好。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。
在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在Uce下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和區(qū)，又增加了一段延緩時間，使Uce波形變?yōu)閮啥巍Ｔ陉P(guān)斷過程中，因PNP晶體管中存儲的電荷不能迅速消除，電流Ic也分為兩段。在IGBT導(dǎo)通的大部分電流范圍內(nèi)，Ic與Uge呈線性關(guān)系，Uge越大Ic越大。
??? 變頻器輸出電路中的IGBT逆變模塊工作于數(shù)KHz頻率的脈沖之下，其柵偏壓也為數(shù)KHz的脈沖電壓。而IGBT的工作條件又是嚴酷的，需要可靠開通和快速截止。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展， IGBT逆變橋在能量轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用日益廣泛。對其保護十分重要。
決定IGBT工作的可靠性的各種因素中，過流保護電路起著關(guān)鍵性的作用。由于IGBT承受過流或短路的能力有限，過流保護電路，不僅關(guān)系到IGBT模塊本身的工作性能和運行安全，而且影響到整個系統(tǒng)的性能和安全。一般采用檢測IGBT正向?qū)☉B(tài)管壓降Uce，來反映導(dǎo)通電流的大小。此方法不僅簡單而且可以防止IGBT工作時退飽和。IGBT的正向飽和壓降約為2.5—3V，一般當Vce大于7V時，就可認為是過流。如果屬于瞬時過流，保護電路不做處理，但過流時間稍長或過流幅度較大，則實施保護停機。
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（一）、 在我們平時的日常生產(chǎn)使用中,IGBT模塊損壞是一種常見的故障現(xiàn)象,損壞的原因可能是多種多樣的。下面就講幾個在維修變頻器時和驅(qū)動電路有關(guān)的實例：
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? ???（1），安川616G5，3.7KW的變頻器，故障現(xiàn)象為三相輸出正常，但在低速時馬達抖動，無法進行正常的生產(chǎn)。分析為變頻器驅(qū)動電路損壞。確定故障現(xiàn)象后將變頻器打開，將IGBT逆變模塊從印板上卸下，使用電子視波器觀察六路驅(qū)動電路打開時的波形是否一致，找出不一致的那一路驅(qū)動，更換該驅(qū)動電路上的IC，一般為PC923或者PC929，若變頻器使用年數(shù)超過3年，推薦將驅(qū)動電路的電解電容全部更換，然后再用視波器觀察，六路波形一致后裝上IGBT逆變模塊，進行負載實驗，抖動現(xiàn)象消除。
??? （2），日立VWS5.5HF3EH，變頻器啟動后，發(fā)出“吱吱”的響聲，聲音隨頻率的增加逐漸變得尖銳刺耳，聲音持續(xù)約5秒后，變頻器發(fā)出“OC”故障報警，空載也是如此。因為空載下報過流，不是真正的過流故障，因此懷疑是IGBT模塊故障，檢查后，沒有發(fā)現(xiàn)問題。又懷疑是主電路部分的問題，大電容漏電產(chǎn)生大的脈動，造成過流。檢查電容的容量和從放電性能也沒有發(fā)現(xiàn)問題。最后懷疑是驅(qū)動電路部分的問題。當不接IGBT模塊時不過流保護，一旦接IGBT模塊就保護。在驅(qū)動信號全部正常的情況下，故障一是驅(qū)動模塊性能衰退，不能驅(qū)動IGBT；二是電容失效造成驅(qū)動電壓不穩(wěn)定，驅(qū)動信號不正常，使IGBT開關(guān)時間配合不好，造成主回路過流。由于電容是易損件，首先檢查電容，把所有的電容都拆下查過了，電容的漏電阻基本上沒有差別，充放電也很正常。用萬能電橋測量時，發(fā)現(xiàn)一個電容的容量比其它電容的容量小，但不明顯，就沒有更換它。于是就換了三相驅(qū)動模塊，開機故障依舊。驅(qū)動模塊的故障也排除了。由于三相輸出同時出故障的可能性較小，采用正?；芈放c故障回路的相同器件對調(diào)的方法找故障件。最后找出了故障原因，問題還是出在那個電容容量比較小的電容上。由于電容容量不足，才造成驅(qū)動信號失常，使機器工作過流。更換電容以后，變頻器工作恢復(fù)正常。
（3），臺達VFD075-M變頻器，故障現(xiàn)象是變頻器輸出端打火，拆開檢查后發(fā)現(xiàn)IGBT逆變模塊擊穿，驅(qū)動電路印板嚴重損壞，正確的解決辦法是先將損壞IGBT逆變模塊拆下，拆的時候主要要盡量保護好印板不受人為二次損壞，將驅(qū)動電路上損壞的電子原器件逐一更換以及印板上開路的線路用導(dǎo)線連起來（這里要比較注意要將燒焦的部分刮干凈，以放再次打火），六路驅(qū)動電路阻值相同，電壓相同的情況下使用視波器測量波形，但變頻器一開就報OCC故障（臺達變頻器無IGBT逆變模塊開機會報警）使用燈泡將模塊的P1和印板連起來，其他的用導(dǎo)線連，再次啟動還跳OCC，確定為驅(qū)動電路還有問題，逐一更換光耦，后發(fā)現(xiàn)該驅(qū)動電路的光耦帶檢測功能，其中一路光耦檢測功能損壞，更換新的后，啟動正常。
?? （4），富士G9變頻器，故障表現(xiàn)在為上電無顯示。分析可能是變頻器開關(guān)電源損壞，打開變頻器檢查開關(guān)電源線路，但是經(jīng)檢查開關(guān)電源器件線路都無損壞，在DC正負處上直流電也無顯示，這個時候要估計到可能是驅(qū)動問題，將驅(qū)動電路所有電容拆下，發(fā)現(xiàn)有個別電容漏液，更換新的電解電容，再次上電后正常工作。
?? （ 5）·偉肯 VACON 132CX4 （報廢的經(jīng)過及原因），使用3年后，夏天正常，冬天有時不能啟動，報存儲器錯誤(EPPROM,ERROM),這時機器已加電，屏幕亮，風(fēng)機轉(zhuǎn)。斷電重啟，故障又消失?？紤]到此變頻器的工作環(huán)境較差，附近有廢蒸汽排出，加上是冬天，室內(nèi)溫度在20度以下，機器內(nèi)部印刷線路板上有積灰，就有可能結(jié)露，就會導(dǎo)致IC引腳漏電。特別是存儲器、CPU這些貼片IC，引腳密集，結(jié)露會造成引腳電平異常，報故障也就不奇怪了。等一等斷電重啟，故障又消失，是因為機器內(nèi)部風(fēng)機工作，將結(jié)露吹掉，熱量又使水汽減少，斷電又起故障復(fù)位作用。第4年，此變頻器開始頻繁報散熱器過熱故障，用吹塵槍吹出不少灰塵，涼一涼開機就好了。第5年夏天，不僅報過熱故障，而且報過流故障。全面除塵后，過熱故障少了些，但過流沒有改觀多少，機器開開停停，最后報（INRERTER FAULT），逆變器故障，再也開不起來。拆機檢查，驅(qū)動板燒黑，6只IGBT逆變模塊兩只炸裂，未炸裂的控制極端子處積滿黑色粘糊糊的臟污。用萬用表100K檔測C、E兩極間有30K左右不穩(wěn)定漏電電阻，4塊同樣。利用無水酒精將污垢清理干凈，再利用電吹風(fēng)吹干，再測量控制柵極和C極、E極,其間電阻無窮大。測量其它其他電極之間的電阻正常。內(nèi)阻二極管阻值 正常,實測柵射極間電容2000PP，一致性很好，這四支模塊都是好的。變頻器因損壞的較嚴重無法修理而報廢。