DQZHAN技術(shù)訊：一文解析變頻器IGBT模塊的靜態(tài)測(cè)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(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，驅(qū)動(dòng)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(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
IGBT結(jié)構(gòu)
左邊所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)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(jìn)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(lái)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(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(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴(少子)，對(duì)N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)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(nèi)部的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移(半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)，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(lái)是正離子和負(fù)離子一一對(duì)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?yàn)殡娮邮强梢詫?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(dòng)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(guó)內(nèi)的技術(shù)也可能沒有達(dá)到市場(chǎng)的一般，我國(guó)的IGBT模塊依然是依賴進(jìn)口滿足市場(chǎng)。
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(dòng)及保護(hù)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(dòng)作及發(fā)生故障，或者無(wú)法滿足預(yù)期的運(yùn)行效果。為防患于未然，事先對(duì)故障原因進(jìn)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(jì)時(shí)已經(jīng)選定了電容器的型號(hào)，所以內(nèi)部的溫度對(duì)電解電容器的壽命起決定作用。因此一方面在安裝時(shí)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(dòng)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(dòng)電流，從而延長(zhǎng)電解電容器的壽命。
在電容器維護(hù)時(shí)，通常以比較容易測(cè)量的靜電容量來(lái)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(shí)，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(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過電流跳閘。
洛陽(yáng)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?cè)谔l時(shí)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(jī)堵轉(zhuǎn)等。在負(fù)載慣性較大時(shí)，可適當(dāng)延長(zhǎng)加速時(shí)間，此過程對(duì)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(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(cè)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(lái)判斷IGBT模塊是否損壞。如模塊未損壞，則是驅(qū)動(dòng)電路出了故障。如果減速時(shí)IGBT模塊過流或變頻器對(duì)地短路跳閘，一般是逆變器的上半橋的模塊或其驅(qū)動(dòng)電路故障;而加速時(shí)IGBT模塊過流，則是下半橋的模塊或其驅(qū)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(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(dòng)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(shí)間決定。由于電容器都焊接在電路板上，通過測(cè)量靜電容量來(lái)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(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(qū)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(shí)會(huì)因開機(jī)而使全部控制端子同時(shí)閉合，導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)EEPROM故障，這只要對(duì)EEPROM重新復(fù)位就可以了。
IGBT電路板包含驅(qū)動(dòng)和緩沖電路，以及過電壓、缺相等保護(hù)電路。從邏輯控制板來(lái)的PWM信號(hào)，通過光耦合將電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入IGBT模塊，因而在檢測(cè)模快的同時(shí)，還應(yīng)測(cè)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(shí)，風(fēng)扇產(chǎn)生震動(dòng)，噪聲增大*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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要2～3年更換一次風(fēng)扇或軸承。為了延長(zhǎng)風(fēng)扇的壽命，一些產(chǎn)品的風(fēng)扇只在變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)而不是電源開啟時(shí)運(yùn)行。
5、外部的電磁感應(yīng)干擾
洛陽(yáng)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(dòng)作，造成工作不正常或停機(jī)，嚴(yán)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(dòng)機(jī)很遠(yuǎn)時(shí)(超過100m)，這時(shí)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(shí)應(yīng)加裝變頻器輸出電抗器，用來(lái)補(bǔ)償因長(zhǎng)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(jìn)行接地，必須在專用接地點(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(shí)在變頻器的輸出端也安裝無(wú)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(cè)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(cè)量時(shí)，若某一極與其它兩極阻值為無(wú)窮大，調(diào)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(cè)量，若測(cè)得阻值為無(wú)窮大，調(diào)換表筆后測(cè)量阻值較小。在測(cè)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(dǎo)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(cè)注意事項(xiàng)
任何指針式萬(wàn)用表皆可用于檢測(cè)IGBT。注意判斷IGBT 好壞時(shí)，一定要將萬(wàn)用表?yè)茉赗&TImes;10KΩ擋，因R&TImes;1KΩ擋以下各檔萬(wàn)用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測(cè)好壞時(shí)不能使IGBT 導(dǎo)通，而無(wú)法判斷IGBT 的好壞。此方法同樣也可以用于檢測(cè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)的好壞。
變頻器IGBT模塊的靜態(tài)測(cè)量
變頻器所用IGBT模塊為七單元一體化模塊(型號(hào)為FP15R12KE3G)，即三單元整流、三單元逆變和一單元制動(dòng)。自帶模塊溫度自檢單元。用萬(wàn)用表的二極管檔測(cè)量。
FP15R12KE3G模塊實(shí)物圖
1、整流橋的靜態(tài)測(cè)量
三相橋式整流電氣原理圖見圖，測(cè)量方法同普通二極管，詳見**章**節(jié)相關(guān)內(nèi)容。整流單元測(cè)量參考數(shù)據(jù)見表1.1。
2、逆變續(xù)流二極管的靜態(tài)測(cè)量
逆變單元電氣原理圖見圖1.1.2，測(cè)量方法同普通二極管。一般情況下，可通過測(cè)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(dòng)單元的靜態(tài)測(cè)量
制動(dòng)單元原理圖見圖1.1.3。
圖中BRK為制動(dòng)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(dòng)電阻，電阻規(guī)格的選取參考KVFC+系列變頻器用戶手冊(cè)，此處不再贅述。
圖1.1.3 制動(dòng)單元電氣原理圖
表1.1 七單元IGBT測(cè)量參考值
快速測(cè)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(cè)量R、S、T、PB、U、V、W、N，再對(duì)照上表中的參考數(shù)值，判斷其正常與否。實(shí)際測(cè)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。
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