摘要:國(guó)內(nèi)廠礦企業(yè)對(duì)變頻器的應(yīng)用已基本上普及，凡是用到電動(dòng)機(jī)的地方，幾乎就會(huì)見(jiàn)到變頻器的蹤影。變頻器是強(qiáng)電與弱電的有機(jī)結(jié)合；是硬件與軟件的有機(jī)結(jié)合。它強(qiáng)大的功能、完善的檢測(cè)和保護(hù)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(dú)特性。變頻器和PLC等工控設(shè)備的應(yīng)用和普及，對(duì)其維修甚至形成了一個(gè)專門(mén)的行業(yè)，成為電氣技術(shù)的一個(gè)分支。也使得電工的概念發(fā)生了深刻變化。主要通過(guò)對(duì)通用變頻器逆變模塊及驅(qū)動(dòng)電路的分析，了解IGBT一些故障的常見(jiàn)形式及特點(diǎn),滿足解決維修實(shí)際問(wèn)題的需要。

一·IGBT逆變模塊及驅(qū)動(dòng)電路的特性

通常認(rèn)為IGBT器件是電壓型控制器件，只需提供一定電平幅度激勵(lì)電壓,而不需要吸取激勵(lì)電流。因?yàn)镮GBT柵—射極間存在一個(gè)結(jié)電容，在對(duì)其進(jìn)行開(kāi)通和截止過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是對(duì)IGBT柵—射極間結(jié)電容進(jìn)行充電、放電的過(guò)程。這個(gè)充電放電的過(guò)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(duì)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(guò)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(dòng)器件，而不是純電壓控制器件。驅(qū)動(dòng)電路（注1）的輸出級(jí)，也應(yīng)是一個(gè)功率放大電路。因?yàn)镮GBT的驅(qū)動(dòng)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(lái)驅(qū)動(dòng)。

所以說(shuō)：

（1）為了使IGBT迅速開(kāi)通，而給出正柵偏壓的時(shí)間很短，就要提供盡可能大的驅(qū)動(dòng)電流（充電電流），保證IGBT快速可靠地開(kāi)通，導(dǎo)通時(shí)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(duì)于截止的控制也是一樣，須驅(qū)動(dòng)電路對(duì)柵—射結(jié)電容上的電荷進(jìn)行快速釋放。為了使IGBT截止可靠，就要提供足夠幅度截止負(fù)壓來(lái)滿足IGBT關(guān)斷的要求,也應(yīng)對(duì)截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓（一般為-5~-15V)，使IGBT在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。

（2）驅(qū)動(dòng)電路的基本要求較高，應(yīng)具有以下基本性能：1·動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。2·驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)阻也不能過(guò)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(dòng)電路作為逆變電路關(guān)系密切的一部分,對(duì)變頻器的三相輸出有著巨大的影響。驅(qū)動(dòng)電路的性能、質(zhì)量，是保證IGBT模塊正常工作的重要條件。

二·IGBT逆變模塊的工作特點(diǎn)及保護(hù)

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(dá)18KHZ，動(dòng)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(diǎn)。

在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運(yùn)行的，只是在Uce下降過(guò)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(shí)間，使Uce波形變?yōu)閮啥?。在關(guān)斷過(guò)程中，因PNP晶體管中存儲(chǔ)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(yán)酷的，需要可靠開(kāi)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(duì)其保護(hù)十分重要。

決定IGBT工作的可靠性的各種因素中，過(guò)流保護(hù)電路起著關(guān)鍵性的作用。由于IGBT承受過(guò)流或短路的能力有限，過(guò)流保護(hù)電路，不僅關(guān)系到IGBT模塊本身的工作性能和運(yùn)行安全，而且影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和安全。一般采用檢測(cè)IGBT正向?qū)☉B(tài)管壓降Uce，來(lái)反映導(dǎo)通電流的大小。此方法不僅簡(jiǎn)單而且可以防止IGBT工作時(shí)退飽和。IGBT的正向飽和壓降約為2.5—3V，一般當(dāng)Vce大于7V時(shí)，就可認(rèn)為是過(guò)流。如果屬于瞬時(shí)過(guò)流，保護(hù)電路不做處理，但過(guò)流時(shí)間稍長(zhǎng)或過(guò)流幅度較大，則實(shí)施保護(hù)停機(jī)。

三·IGBT逆變模塊的故障檢修及分析

（一）、在我們平時(shí)的日常生產(chǎn)使用中,IGBT模塊損壞是一種常見(jiàn)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(gè)在維修變頻器時(shí)和驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)的實(shí)例：

（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(shí)馬達(dá)抖動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行正常的生產(chǎn)。分析為變頻器驅(qū)動(dòng)電路損壞。確定故障現(xiàn)象后將變頻器打開(kāi)，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(dòng)電路打開(kāi)時(shí)的波形是否一致，找出不一致的那一路驅(qū)動(dòng)，更換該驅(qū)動(dòng)電路上的IC，一般為PC923或者PC929，若變頻器使用年數(shù)超過(guò)3年，推薦將驅(qū)動(dòng)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(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)，抖動(dòng)現(xiàn)象消除。

（2），日立VWS5.5HF3EH，變頻器啟動(dòng)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(bào)警，空載也是如此。因?yàn)榭蛰d下報(bào)過(guò)流，不是真正的過(guò)流故障，因此懷疑是IGBT模塊故障，檢查后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。又懷疑是主電路部分的問(wèn)題，大電容漏電產(chǎn)生大的脈動(dòng)，造成過(guò)流。檢查電容的容量和從放電性能也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。最后懷疑是驅(qū)動(dòng)電路部分的問(wèn)題。當(dāng)不接IGBT模塊時(shí)不過(guò)流保護(hù)，一旦接IGBT模塊就保護(hù)。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)全部正常的情況下，故障一是驅(qū)動(dòng)模塊性能衰退，不能驅(qū)動(dòng)IGBT；二是電容失效造成驅(qū)動(dòng)電壓不穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)信號(hào)不正常，使IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間配合不好，造成主回路過(guò)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(guò)了，電容的漏電阻基本上沒(méi)有差別，充放電也很正常。用萬(wàn)能電橋測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)電容的容量比其它電容的容量小，但不明顯，就沒(méi)有更換它。于是就換了三相驅(qū)動(dòng)模塊，開(kāi)機(jī)故障依舊。驅(qū)動(dòng)模塊的故障也排除了。由于三相輸出同時(shí)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(duì)調(diào)的方法找故障件。最后找出了故障原因，問(wèn)題還是出在那個(gè)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(dòng)信號(hào)失常，使機(jī)器工作過(guò)流。更換電容以后，變頻器工作恢復(fù)正常。

（3），臺(tái)達(dá)VFD075-M變頻器，故障現(xiàn)象是變頻器輸出端打火，拆開(kāi)檢查后發(fā)現(xiàn)IGBT逆變模塊擊穿，驅(qū)動(dòng)電路印板嚴(yán)重?fù)p壞，正確的解決辦法是先將損壞IGBT逆變模塊拆下，拆的時(shí)候主要要盡量保護(hù)好印板不受人為二次損壞，將驅(qū)動(dòng)電路上損壞的電子原器件逐一更換以及印板上開(kāi)路的線路用導(dǎo)線連起來(lái)（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(dòng)電路阻值相同，電壓相同的情況下使用視波器測(cè)量波形，但變頻器一開(kāi)就報(bào)OCC故障（臺(tái)達(dá)變頻器無(wú)IGBT逆變模塊開(kāi)機(jī)會(huì)報(bào)警）使用燈泡將模塊的P1和印板連起來(lái)，其他的用導(dǎo)線連，再次啟動(dòng)還跳OCC，確定為驅(qū)動(dòng)電路還有問(wèn)題，逐一更換光耦，后發(fā)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)電路的光耦帶檢測(cè)功能，其中一路光耦檢測(cè)功能損壞，更換新的后，啟動(dòng)正常。

（4），富士G9變頻器，故障表現(xiàn)在為上電無(wú)顯示。分析可能是變頻器開(kāi)關(guān)電源損壞，打開(kāi)變頻器檢查開(kāi)關(guān)電源線路，但是經(jīng)檢查開(kāi)關(guān)電源器件線路都無(wú)損壞，在DC正負(fù)處上直流電也無(wú)顯示，這個(gè)時(shí)候要估計(jì)到可能是驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，將驅(qū)動(dòng)電路所有電容拆下，發(fā)現(xiàn)有個(gè)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VACON132CX4（報(bào)廢的經(jīng)過(guò)及原因），使用3年后，夏天正常，冬天有時(shí)不能啟動(dòng)，報(bào)存儲(chǔ)器錯(cuò)誤(EPPROM,ERROM),這時(shí)機(jī)器已加電，屏幕亮，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)。斷電重啟，故障又消失。考慮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(jī)器內(nèi)部印刷線路板上有積灰，就有可能結(jié)露，就會(huì)導(dǎo)致IC引腳漏電。特別是存儲(chǔ)器、CPU這些貼片IC，引腳密集，結(jié)露會(huì)造成引腳電平異常，報(bào)故障也就不奇怪了。等一等斷電重啟，故障又消失，是因?yàn)闄C(jī)器內(nèi)部風(fēng)機(jī)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(kāi)始頻繁報(bào)散熱器過(guò)熱故障，用吹塵槍吹出不少灰塵，涼一涼開(kāi)機(jī)就好了。第5年夏天，不僅報(bào)過(guò)熱故障，而且報(bào)過(guò)流故障。全面除塵后，過(guò)熱故障少了些，但過(guò)流沒(méi)有改觀多少，機(jī)器開(kāi)開(kāi)停停，最后報(bào)（INRERTERFAULT），逆變器故障，再也開(kāi)不起來(lái)。拆機(jī)檢查，驅(qū)動(dòng)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(wàn)用表100K檔測(cè)C、E兩極間有30K左右不穩(wěn)定漏電電阻，4塊同樣。利用無(wú)水酒精將污垢清理干凈，再利用電吹風(fēng)吹干，再測(cè)量控制柵極和C極、E極,其間電阻無(wú)窮大。測(cè)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(shí)測(cè)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(yán)重?zé)o法修理而報(bào)廢。