摘要:國內(nèi)廠礦企業(yè)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(yè)，成為電氣技術的一個分支。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。

一·IGBT逆變模塊及驅(qū)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—射極間存在一個結電容，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+10~15V。對于截止的控制也是一樣，須驅(qū)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(tài)的IGBT加一反向柵壓（一般為-5~-15V)，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關噪聲時仍能可靠截止。

（2）驅(qū)動電路的基本要求較高，應具有以下基本性能：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。

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(tài)下。IGBT模塊，逆變頻率達18KHZ，動態(tài)響應速度快、穩(wěn)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(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?。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(nèi)，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(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。隨著電力電子技術的不斷發(fā)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(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。

三·IGBT逆變模塊的故障檢修及分析

（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)動電路有關的實例：

（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電源損壞，打開變頻器檢查開關電源線路，但是經(jīng)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(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VACON132CX4（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，風機轉。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(nèi)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（INRERTERFAULT），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。