變頻器IGBT模塊的靜態(tài)測量

IGBT概述

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(chǎng)效應管）組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動(dòng)電流較大；MOSFET驅動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)功率小而飽和壓降低。適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域.

IGBT結構

左邊所示為一個(gè)N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N+區稱(chēng)為源區，附于其上的電極稱(chēng)為源極（即發(fā)射極E）。N基極稱(chēng)為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱(chēng)為柵極（即門(mén)極G）。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區（包括P+和P-區）（溝道在該區域形成），稱(chēng)為亞溝道區（Subchannel region）。而在漏區另一側的P+區稱(chēng)為漏注入區（Drain injector），它是IGBT*的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導電調制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入區上的電極稱(chēng)為漏極（即集電極C）。

IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP（原來(lái)為NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅動(dòng)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(jìn)行電導調制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，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(gè)端子，分別是G，D，S，在G和S兩端加上電壓后，內部的電子發(fā)生轉移（半導體材料的特點(diǎn)，這也是為什么用半導體材料做電力電子開(kāi)關(guān)的原因），本來(lái)是正離子和負離子一一對應，半導體材料呈中性，但是加上電壓后，電子在電壓的作用下，累積到一邊，形成了一層導電溝道，因為電子是可以導電的，變成了導體。如果撤掉加在GS兩端的電壓，這層導電的溝道就消失了，就不可以導電了，變成了絕緣體。

若在IGB模塊T的柵極和發(fā)射極之間加上驅動(dòng)正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得體管導通;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(jiàn)，IGBT模塊在依照我們國內的技術(shù)也可能沒(méi)有達到市場(chǎng)的一般，我國的IGBT模塊依然是依賴(lài)進(jìn)口滿(mǎn)足市場(chǎng)。

變頻器IGBT模塊常見(jiàn)故障維修處理

變頻器由主回路、電源回路、IGBT驅動(dòng)及保護回路、冷卻風(fēng)扇等幾部分組成。其結構多為單元化或模塊化形式。由于使用方法不正確或設置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動(dòng)作及發(fā)生故障，或者無(wú)法滿(mǎn)足預期的運行效果。為防患于未然，事先對故障原因進(jìn)行認真分析尤為重要。

1、主回路常見(jiàn)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(jiàn)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部溫度所決定，在回路設計時(shí)已經(jīng)選定了電容器的型號，所以?xún)炔康臏囟葘﹄娊怆娙萜鞯膲勖饹Q定作用。因此一方面在安裝時(shí)要考慮適當的環(huán)境溫度，另一方面可以采取措施減少脈動(dòng)電流。采用改善功率因數的交流或直流電抗器可以減少脈動(dòng)電流，從而延長(cháng)電解電容器的壽命。

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

2、主回路典型故障分析

故障現象：變頻器在加速、減速或正常運行時(shí)出現過(guò)電流跳閘。

變頻器銷(xiāo)售首先應區分是由于負載原因，還是變頻器的原因引起的。如果是變頻器的故障，可通過(guò)歷史記錄查詢(xún)在跳閘時(shí)的電流，超過(guò)了變頻器的額定電流或電子熱繼電器的設定值，而三相電壓和電流是平衡的，則應考慮是否有過(guò)載或突變，如電機堵轉等。在負載慣性較大時(shí)，可適當延長(cháng)加速時(shí)間，此過(guò)程對變頻器本身并無(wú)損壞。若跳閘時(shí)的電流，在變頻器的額定電流或在電子熱繼電器的設定范圍內，可判斷是IGBT模塊或相關(guān)部分發(fā)生故障。首先可以通過(guò)測量變頻器的主回路輸出端子U、V、W，分別與直流側的P、N端子之間的正反向電阻，來(lái)判斷IGBT模塊是否損壞。如模塊未損壞，則是驅動(dòng)電路出了故障。如果減速時(shí)IGBT模塊過(guò)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動(dòng)電路故障；而加速時(shí)IGBT模塊過(guò)流，則是下半橋的模塊或其驅動(dòng)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(jìn)入變頻器內部或環(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(guò)的脈動(dòng)電流，是基本不受主回路負載影響的定值，故其壽命主要由溫度和通電時(shí)間決定。由于電容器都焊接在電路板上，通過(guò)測量靜電容量來(lái)判斷劣化情況比較困難，一般根據電容器環(huán)境溫度以及使用時(shí)間，來(lái)推算是否接近其使用壽命。

電源電路板給控制回路、IGBT驅動(dòng)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(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)電源部分損壞，風(fēng)扇電源的短路導致其他電源斷電等。一般通過(guò)觀(guān)察電源電路板就比較容易發(fā)現。

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

IGBT電路板包含驅動(dòng)和緩沖電路，以及過(guò)電壓、缺相等保護電路。從邏輯控制板來(lái)的PWM信號，通過(guò)光耦合將電壓驅動(dòng)信號輸入IGBT模塊，因而在檢測?？斓耐瑫r(shí)，還應測量IGBT模塊上的光耦。

4、冷卻系統

冷卻系統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(shí)，風(fēng)扇產(chǎn)生震動(dòng)，噪聲增大停轉，變頻器出現IGBT過(guò)熱跳閘。冷卻風(fēng)扇的壽命受陷于軸承，大約為10000～35000h。當變頻器連續運轉時(shí)，需要2～3年更換一次風(fēng)扇或軸承。為了延長(cháng)風(fēng)扇的壽命，一些產(chǎn)品的風(fēng)扇只在變頻器運轉時(shí)而不是電源開(kāi)啟時(shí)運行。

5、外部的電磁感應干擾

洛陽(yáng)變頻器銷(xiāo)售如果變頻器周?chē)嬖诟蓴_源，它們將通過(guò)輻射或電源線(xiàn)侵入變頻器的內部，引起控制回路誤動(dòng)作，造成工作不正?；蛲C，嚴重時(shí)甚至損壞變頻器。減少噪聲干擾的具體方法有：變頻器周?chē)欣^電器、接觸器的控制線(xiàn)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(xiàn)不能超過(guò)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(dòng)機很遠時(shí)（超過(guò)100m），這時(shí)一方面可加大導線(xiàn)截面面積，保證線(xiàn)路壓降在2%以?xún)?，同時(shí)應加裝變頻器輸出電抗器，用來(lái)補償因長(cháng)距離導線(xiàn)產(chǎn)生的分布電容的充電電流。變頻器接地端子應按規定進(jìn)行接地，在專(zhuān)用接地點(diǎn)可靠接地，不能同電焊、動(dòng)力接地混用；變頻器輸入端安裝無(wú)線(xiàn)電噪聲濾波器，減少輸入高次諧波，從而可降低從電源線(xiàn)到電子設備的噪聲影響；同時(shí)在變頻器的輸出端也安裝無(wú)線(xiàn)電噪聲濾波器，以降低其輸出端的線(xiàn)路噪聲。

變頻器IGBT模塊檢測方法

1、判斷極性

首先將萬(wàn)用表?yè)茉赗&TImes;1KΩ擋，用萬(wàn)用表測量時(shí)，若某一極與其它兩極阻值為無(wú)窮大，調換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無(wú)窮大，則判斷此極為柵極（G ）其余兩極再用萬(wàn)用表測量，若測得阻值為無(wú)窮大，調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(wàn)用表?yè)茉赗&TImes;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(shí)萬(wàn)用表的指針在零位。用手指同時(shí)觸及一下柵極（G）和集電極（C），這時(shí)IGBT 被觸發(fā)導通，萬(wàn)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(shí)觸及一下柵極（G）和發(fā)射極（E），這時(shí)IGBT 被阻斷，萬(wàn)用表的指針回零。此時(shí)即可判斷IGBT 是好的。

3、檢測注意事項

任何指針式萬(wàn)用表皆可用于檢測IGBT。注意判斷IGBT 好壞時(shí)，要將萬(wàn)用　表?yè)茉赗&TImes;10KΩ擋，因R&TImes;1KΩ擋以下各檔萬(wàn)用表內部電池電壓太低，檢測好壞時(shí)不能使IGBT 導通，而無(wú)法判斷IGBT 的好壞。此方法同樣也可以用于檢測功率場(chǎng)效應晶體管（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(dòng)。自帶模塊

1、整流橋的靜態(tài)測量

三相橋式整流電氣原理圖見(jiàn)圖，測量方法同普通二極管，詳見(jiàn)第二章第二節相關(guān)內容。整流單元測量參考數據見(jiàn)表1.1。

1.1.2三相橋式整流和IGBT電氣原理圖

　　2、逆變續流二極管的靜態(tài)測量

逆變單元電氣原理圖見(jiàn)圖1.1.2，測量方法同普通二極管。一般情況下，可通過(guò)測量IGBT的續流二極管判斷其損壞情況，數據參考表1.1.3。

　　3、制動(dòng)單元的靜態(tài)測量

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

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(dòng)，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值，判斷其正常與否。實(shí)際測量的數值在與表中的范圍或差距別不大即算正常。見(jiàn)圖1.1.4。