一文解析变频器IGBT模块的静态测量

　　IGBT概述

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

　　IGBT结构

　　左边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。

　　IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP（原来为NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

　　IGB模块原理电路分析

　　IGBT模块有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移（半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因），本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。如果撤掉加在GS两端的电压，这层导电的沟道就消失了，就不可以导电了，变成了绝缘体。

　　若在IGB模块T的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

　　由此可见，IGBT模块在依照我们国内的技术也可能没有达到市场的一般，我国的IGBT模块依然是依赖进口满足市场。

　　变频器IGBT模块常见故障处理

　　变频器由主回路、电源回路、IGBT驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析尤为重要。

　　1、主回路常见故障分析

　　主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IGBT逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定，在回路设计时已经选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度，另一方面可以采取措施减少脉动电流。采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流，从而延长电解电容器的寿命。

　　在电容器维护时，通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况，当静电容量低于额定值的80%，绝缘阻抗在5MΩ以下时，应考虑更换电解电容器。

　　2、主回路典型故障分析

　　故障现象：变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。

　　洛阳变频器销售首先应区分是由于负载原因，还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障，可通过历史记录查询在跳闸时的电流，超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否有过载或突变，如电机堵转等。在负载惯性较大时，可适当延长加速时间，此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流，在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内，可判断是IGBT模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W，分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻，来判断IGBT模块是否损坏。如模块未损坏，则是驱动电路出了故障。如果减速时IGBT模块过流或变频器对地短路跳闸，一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障；而加速时IGBT模块过流，则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障，发生这些故障的原因，多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。

　　3、控制回路故障分析

　　控制回路影响变频器寿命的是电源部分，是平滑电容器和IGBT电路板中的缓冲电容器，其原理与前述相同，但这里的电容器中通过的脉动电流，是基本不受主回路负载影响的定值，故其寿命主要由温度和通电时间决定。由于电容器都焊接在电路板上，通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难，一般根据电容器环境温度以及使用时间，来推算是否接近其使用寿命。

　　电源电路板给控制回路、IGBT驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源，这些电源一般都是从主电路输出的直流电压，通过开关电源再分别整流而得到的。因此，某一路电源短路，除了本路的整流电路受损外，还可能影响其他部分的电源，如由于误操作而使控制电源与公共接地短接，致使电源电路板上开关电源部分损坏，风扇电源的短路导致其他电源断电等。一般通过观察电源电路板就比较容易发现。

　　逻辑控制电路板是变频器的核心，它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大规模集成电路，具有很高的可靠性，本身出现故障的概率很小，但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合，导致变频器出现EEPROM故障，这只要对EEPROM重新复位就可以了。

　　IGBT电路板包含驱动和缓冲电路，以及过电压、缺相等保护电路。从逻辑控制板来的PWM信号，通过光耦合将电压驱动信号输入IGBT模块，因而在检测模快的同时，还应测量IGBT模块上的光耦。

　　4、冷却系统

　　冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。其中冷却风扇寿命较短，临近使用寿命时，风扇产生震动，噪声增大最后停转，变频器出现IGBT过热跳闸。冷却风扇的寿命受陷于轴承，大约为10000～35000h。当变频器连续运转时，需要2～3年更换一次风扇或轴承。为了延长风扇的寿命，一些产品的风扇只在变频器运转时而不是电源开启时运行。

　　5、外部的电磁感应干扰

　　洛阳变频器销售如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。减少噪声干扰的具体方法有：变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上，加装防止冲击电压的吸收装置，如RC浪涌吸收器，其接线不能超过20cm；尽量缩短控制回路的5mm以上，与主回路保持10cm以上的间距；变频器距离电动机很远时（超过100m），这时一方面可加大导线截面面积，保证线路压降在2%以内，同时应加装变频器输出电抗器，用来补偿因长距离导线产生的分布电容的充电电流。变频器接地端子应按规定进行接地，必须在专用接地点可靠接地，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装无线电噪声滤波器，减少输入高次谐波，从而可降低从电源线到电子设备的噪声影响；同时在变频器的输出端也安装无线电噪声滤波器，以降低其输出端的线路噪声。

　　变频器IGBT模块检测方法

　　1、判断极性

　　首先将万用表拨在R×1KΩ挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G ）其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C）;黑表笔接的为发射极（E）。

　　2、判断好坏

　　将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT 的集电极（C），红表笔接IGBT 的发射极（E），此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT 被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT 是好的。

　　3、检测注意事项

　　任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。注意判断IGBT 好坏时，一定要将万用　表拨在R×10KΩ挡，因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT 导通，而无法判断IGBT 的好坏。此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管（P-MOSFET）的好坏。

　　变频器IGBT模块的静态测量

　　变频器所用IGBT模块为七单元一体化模块（型号为FP15R12KE3G），即三单元整流、三单元逆变和一单元制动。自带模块温度自检单元。用万用表的二极管档测量。

　　FP15R12KE3G模块实物图

　　1、整流桥的静态测量

　　三相桥式整流电气原理图见图，测量方法同普通二极管，详见第二章第二节相关内容。整流单元测量参考数据见表1.1。

　　1.1.2三相桥式整流和IGBT电气原理图

　　2、逆变续流二极管的静态测量

　　逆变单元电气原理图见图1.1.2，测量方法同普通二极管。一般情况下，可通过测量IGBT的续流二极管判断其损坏情况，数据参考表1.1.3。

　　3、制动单元的静态测量

　　制动单元原理图见图1.1.3。

　　图中BRK为制动触发端。根据使用环境，用户可在端子P和PB之间接制动电阻，电阻规格的选取参考KVFC+系列变频器用户手册，此处不再赘述。

　　图1.1.3 制动单元电气原理图

　　表1.1 七单元IGBT测量参考值

　　快速测量模块小技巧：放在P端子上的表笔不动，另一表笔分别测量R、S、T、PB、U、V、W、N，再对照上表中的参考数值，判断其正常与否。实际测量的数值在与表中的范围或差距别不大即算正常。见图1.1.4。

　　图1.1.4IGBT测量过程及结果