變頻器IGBT逆變模塊的故障與驅動電路（電壓）的關系關鍵詞：變頻器故障驅動電路前言國內廠礦企業對變頻器的應用已基本上普及，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合；是硬件與軟件的有機結合。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等工控設備的應用和普及，對其維修甚至形成了一個專門的行業，成為電氣技術的一個分支。也使得電工的概念發生了深刻變化。不具備變頻器和PLC的相關應用和維修知識，不能稱為好電工。一?IGBT逆變模塊及驅動電路的特性通常認為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柵一射極間存在一個結電容，在對其進行開通和截止過程，實質上是對IGBT柵一射極間結電容進行充電、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KHz的脈沖之下，其柵偏壓也為數KHz的脈沖電壓。電容有通交隔直的特性，相對于數十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應是電流或功率驅動器件，而不是純電壓控制器件。驅動電路的輸出級，也應是一個功率放大電路。因為IGBT的驅動是消耗一定功率，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動電流（充電電流），保證IGBT快速可靠地開通，導通時要有一定的飽和深度，以減小導通損耗。但是，并非Uce越高越好，一般選+12~15V。對于截止的控制也是一樣，須驅動電路對柵—射結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關斷的要求，也應對截止狀態的IGBT加一反向柵壓（一般為-5~-15V）,使IGBT在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。（2）驅動電路的基本要求較咼，應具有以下基本性能：1?動態驅動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖。2?驅動器的內阻也不能過小，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。驅動電路作為逆變電路關系密切的一部分，對變頻器的三相輸出有著巨大的影響。驅動電路的性能、質量，是保證IGBT正常工作的重要條件。二?IGBT逆變模塊的工作特點及保護IGBT模塊工作在高電壓、高頻率、大電流狀態下。IGBT模塊，逆變頻率達18KHZ,動態響應速度快、穩定性能好。兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。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晶體管由放大區至飽和區，又增加了一段延緩時間，使Uce波形變為兩段。在關斷過程中，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導通的大部分電流范圍內，Ic與Uge呈線性關系，Uge越大Ic越大。變頻器輸出電路中的IGBT逆變模塊工作于數KHz頻率的脈沖之下，其柵偏壓也為數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。隨著電力電子技術的不斷發展，IGBT逆變橋在能量轉換電路中的應用日益廣泛。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的性能和安全。一般采用檢測IGBT正向導通態管壓降Uce,來反映導通電流的大小。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，—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。三?IGBT逆變模塊的故障檢修在我們平時的日常生產使用中,IGBT模塊損壞是一種常見的故障現象，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動電路有關的實例：(1)，安川616G5,3.7KW的變頻器，故障現象為三相輸出正常，但在低速時馬達抖動，無法進行正常的生產。分析為變頻器驅動電路損壞。確定故障現象后將變頻器打開，將IGBT逆變模塊從印板上卸下，使用電子視波器觀察六路驅動電路打開時的波形是否一致，找出不一致的那一路驅動，更換該驅動電路上的IC,一般為PC923或者PC929,若變頻器使用年數超過3年，推薦將驅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，抖動現象消除。(2),日立VWS5.5HF3EH，變頻器啟動后，發出“吱吱”的響聲，聲音隨頻率的增加逐漸變得尖銳刺耳，聲音持續約5秒后，變頻器發出“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，沒有發現問題。又懷疑是主電路部分的問題，大電容漏電產生大的脈動，造成過流。檢查電容的容量和從放電性能也沒有發現問題。最后懷疑是驅動電路部分的問題。當不接IGBT模塊時不過流保護，一旦接IGBT模塊就保護。在驅動信號全部正常的情況下，故障一是驅動模塊性能衰退，不能驅動IGBT；二是電容失效造成驅動電壓不穩定，驅動信號不正常，使IGBT開關時間配合不好，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，發現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。于是就換了三相驅動模塊，開機故障依舊。驅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，采用正常回路與故障回路的相同器件對調的方法找故障件。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，變頻器工作恢復正常。，臺達VFD075-M變頻器，故障現象是變頻器輸出端打火，拆開檢查后發現IGBT逆變模塊擊穿，驅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Pl和印板連起來，其他的用導線連，再次啟動還跳OCC,確定為驅動電路還有問題，逐一更換光耦，后發現該驅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。，富士G9變頻器，故障表現在為上電無顯示。分析可能是變頻器開關電源損壞，打開變頻器檢查開關電源線路，但是經檢查開關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動問題，將驅動電路所有電容拆下，發現有個別電容漏液，更換新的電解電容，再次上電后正常工作。?偉肯VAC0N132CX4(報廢的經過)，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，風機轉。斷電重啟，故障又消失。考慮到此變頻器的工作環境較差，附近有廢蒸汽排出，加上是冬天，室內溫度在20度以下，機器內部印刷線路板上有積灰，就有可能結露，就會導致IC引腳漏電。特別是存儲器、CPU這些貼片IC,引腳密集，結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，是因為機器內部風機工作，將結露吹掉，熱量又使水汽減少，斷電又起故障復位作用。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(NRERTERFAULT)，逆變器故障，再也開不起來。拆機檢查，驅動板燒黑，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。內阻二極管阻值正常,柵射極間電容2000PP,—致性很好，這四支模塊都是好的。偉肯變頻器的輸出電路分析如下：CPU來的PWM脈沖經過611光耦隔離，送至驅動ICTL431，驅動對管PZT651和PZT751.驅動電路15V供電，6路完全獨立，每路驅動一只IGBT管。實際測量驅動對管、驅動IC完好°IGBT模塊工作在高電壓、高頻率、大電流狀態下。要保證其開關正常，導通時要有一定的飽和深度；截止時也要一定的深度。上下兩管交替工作。在逆變橋路中，絕不允許上下兩管同時導通，那相當530V電源正極P和負極N之間直接短路。正常時G、E極之間無漏電電阻R漏存在。若上管導通，下管C2處立即跳變為530V。由于模塊內部米勒電容存在，530V電壓經過CCG和Cec對控制極相當于加了一個導通電壓。為了防止導通，柵極必須加負柵壓來中和吸收此沖擊，而且要有一定安全余量。也就是負柵壓要高過此脈沖幅度很多。一般負柵壓取-5~-15V,確保上管導通時下管截止，反之下管導通時，上管亦要截止。偉肯變頻器取-15V柵壓，是個典型值。當有污物引起漏電電阻R漏存在時，情況發生變化。電阻產生分流，使實際加到模塊柵極的正負柵壓漏幅度均變化。在漏電不嚴重時，特別是負柵壓還高于米勒電容帶來的沖擊脈沖幅度，還能保證一管工作，一管截止。由于正柵壓降低，模塊飽和深度不夠，集電極、發射極之間導通壓降增大，機器檢測到這一增大的飽和壓降，認為是過流，（正常飽和壓降一般為3V）就報出過流故障。隨著風機將機器內濕氣吹出，再加上模塊發熱，R漏變輕，機器可能又正常工作了。一旦漏電電阻加大，使實際加到漏IGBT的負柵壓低于沖擊電壓的幅值，上管導通下管也導通，強大的短路電流瞬間就使IGBT模塊炸裂。在實際維修中更換IGBT逆變模塊時，一定要確定驅動電路的正常工作。切不可換上好的快熔或者IGBT逆變模塊，就試機。這樣很容易造成剛換上的好的器件再次損壞。否則更換后很容易引起大功率模塊的再次損壞。這個時候應該著重檢查下驅動電路上是否有打火的印記，這里可以先將IGBT逆變模塊的驅動腳連線拔掉，使用萬用表電阻檔測量下六路驅動是否阻值都相同（但是及個別的變頻器驅動電路不是六路阻值都相同的：比如三菱還有富士的），如果六路阻值都基本相同還不能完全證明驅動電路是完好的，接著需要使用電子視波器測量六路驅動上電壓是否相同，當給定一個啟動信號時六路的波形是否一致；如果手里沒有電子示波器的話，也可以嘗試使用電子萬用表，來測量驅動電路六路的直流電壓，一般來說，沒啟動時的每路驅動電路上的直流電壓約為10伏左右，啟動后的直流電壓約為2-3伏，如果測量下來一切正常的話基本可以判斷此變頻器的驅動電路是好的。接著就將IGBT逆變模塊連到驅動電路上，但是記住在沒有100%把握的情況最穩妥的方法還是將IGBT逆變模塊的P從直流母線上斷開，中間接一組串聯的燈泡或者一個功率大一點的電阻，這樣能在電路出現大電流的情況下，保護IGBT逆變模塊不被損壞。對于IGBT模塊，我們介紹最簡單的測量方法（專業不是這樣測量）用指針萬用表電阻10k檔表棒去觸發GwEw（黑筆碰Gw，紅筆碰Ew）則P到W可導通。當GwEw短路，P到W則關閉，其它各管引腳同理。四?故障的總結?結束語1，IBGT逆變模塊的故障與驅動電路的關系較大，IGBT正常時，需驅動電路提供幅度、波形正常的信號，才能正常工作；IGBT異常或負載電路異常時，需提供保護關斷信號。驅動不良有可能造成逆變模塊的損壞；模塊損壞時的電氣沖擊也同時危害到驅動電路。IGBT模塊是變頻器最重要的部分，CPU、驅動電路、保護電路等，都是圍繞它工作。變頻器的工作狀態，是通過其輸出來實現的。2當一臺變頻器大電容后的快熔開路，或者驅動電路的元件有問題如電容漏液、擊穿、光耦老化，也會導致IGBT模塊燒壞或變頻輸出電壓不平衡。尤其是負壓中斷，使IGBT炸裂的現象比比皆是，動作稍慢變頻器輸可能造成兩