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變頻器IGBT模塊的靜態測量

時間:2018-10-09
變頻器IGBT模塊的靜態測量
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(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方麵的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。適合應用於直流電壓為600V及以上的變流係統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域.
 
IGBT結構
左邊所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構, N+區稱為源區,附於其上的電極稱為源極(即發射極E)。N基極稱為漏區。器件的控製區為柵區,附於其上的電極稱為柵極(即門極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),稱為亞溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區(Drain injector),它是IGBT特有的功能區,與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管,起發射極的作用,向漏極注入空穴,進行導電調製,以降低器件的通態電壓。附於漏注入區上的電極稱為漏極(即集電極C)。
IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP(原來為NPN)晶體管提供基極電流,使IGBT導通。反之,加反向門極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同,隻需控製輸入極N-溝道MOSFET,所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成後,從P+基極注入到N-層的空穴(少子),對N-層進行電導調製,減小N-層的電阻,使IGBT在高電壓時,也具有低的通態電壓。
 
IGB模塊原理電路分析
IGBT模塊有三個端子,分別是G,D,S,在G和S兩端加上電壓後,內部的電子發生轉移(半導體材料的特點,這也是為什麽用半導體材料做電力電子開關的原因),本來是正離子和負離子一一對應,半導體材料呈中性,但是加上電壓後,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的柵極和發射極之間加上驅動正電壓,則MOSFET導通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態而使得體管導通;若IGBT的柵極和發射極之間電壓為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模塊在依照鼎博六合國內的技術也可能沒有達到市場的一般,我國的IGBT模塊依然是依賴進口滿足市場。
 
變頻器IGBT模塊常見故障處理
變頻器由主回路、電源回路、IGBT驅動及保護回路、冷卻風扇等幾部分組成。其結構多為單元化或模塊化形式。由於使用方法不正確或設置環境不合理,將容易造成變頻器誤動作及發生故障,或者無法滿足預期的運行效果。為防患於未然,事先對故障原因進行認真分析尤為重要。
 
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部溫度所決定,在回路設計時已經選定了電容器的型號,所以內部的溫度對電解電容器的壽命起決定作用。因此一方麵在安裝時要考慮適當的環境溫度,另一方麵可以采取措施減少脈動電流。采用改善功率因數的交流或直流電抗器可以減少脈動電流,從而延長電解電容器的壽命。
在電容器維護時,通常以比較容易測量的靜電容量來判斷電解電容器的劣化情況,當靜電容量低於額定值的80%,絕緣阻抗在5MΩ以下時,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、減速或正常運行時出現過電流跳閘。
變頻器銷售首先應區分是由於負載原因,還是變頻器的原因引起的。如果是變頻器的故障,可通過曆史記錄查詢在跳閘時的電流,超過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,則應考慮是否有過載或突變,如電機堵轉等。在負載慣性較大時,可適當延長加速時間,此過程對變頻器本身並無損壞。若跳閘時的電流,在變頻器的額定電流或在電子熱繼電器的設定範圍內,可判斷是IGBT模塊或相關部分發生故障。首先可以通過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,來判斷IGBT模塊是否損壞。如模塊未損壞,則是驅動電路出了故障。如果減速時IGBT模塊過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電路故障;而加速時IGBT模塊過流,則是下半橋的模塊或其驅動電路部分故障,發生這些故障的原因,多是由於外部灰塵進入變頻器內部或環境潮濕引起。
3、控製回路故障分析
控製回路影響變頻器壽命的是電源部分,是平滑電容器和IGBT電路板中的緩衝電容器,其原理與前述相同,但這裏的電容器中通過的脈動電流,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間決定。由於電容器都焊接在電路板上,通過測量靜電容量來判斷劣化情況比較困難,一般根據電容器環境溫度以及使用時間,來推算是否接近其使用壽命。
 
電源電路板給控製回路、IGBT驅動電路和表麵操作顯示板以及風扇等提供電源,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,如由於誤操作而使控製電源與公共接地短接,致使電源電路板上開關電源部分損壞,風扇電源的短路導致其他電源斷電等。一般通過觀察電源電路板就比較容易發現。
邏輯控製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,但有時會因開機而使全部控製端子同時閉合,導致變頻器出現EEPROM故障,這隻要對EEPROM重新複位就可以了。
IGBT電路板包含驅動和緩衝電路,以及過電壓、缺相等保護電路。從邏輯控製板來的PWM信號,通過光耦合將電壓驅動信號輸入IGBT模塊,因而在檢測模快的同時,還應測量IGBT模塊上的光耦。
 
4、冷卻係統
冷卻係統主要包括散熱片和冷卻風扇。其中冷卻風扇壽命較短,臨近使用壽命時,風扇產生震動,噪聲增大停轉,變頻器出現IGBT過熱跳閘。冷卻風扇的壽命受陷於軸承,大約為10000~35000h。當變頻器連續運轉時,需要2~3年更換一次風扇或軸承。為了延長風扇的壽命,一些產品的風扇隻在變頻器運轉時而不是電源開啟時運行。
 
5、外部的電磁感應幹擾
洛陽變頻器銷售如果變頻器周圍存在幹擾源,它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內部,引起控製回路誤動作,造成工作不正常或停機,嚴重時甚至損壞變頻器。減少噪聲幹擾的具體方法有:變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控製線圈上,加裝防止衝擊電壓的吸收裝置,如RC浪湧吸收器,其接線不能超過20cm;盡量縮短控製回路的5mm以上,與主回路保持10cm以上的間距;變頻器距離電動機很遠時(超過100m),這時一方麵可加大導線截麵麵積,保證線路壓降在2%以內,同時應加裝變頻器輸出電抗器,用來補償因長距離導線產生的分布電容的充電電流。變頻器接地端子應按規定進行接地,在專用接地點可靠接地,不能同電焊、動力接地混用;變頻器輸入端安裝無線電噪聲濾波器,減少輸入高次諧波,從而可降低從電源線到電子設備的噪聲影響;同時在變頻器的輸出端也安裝無線電噪聲濾波器,以降低其輸出端的線路噪聲。
 
變頻器IGBT模塊檢測方法
1、判斷極性
首先將萬用表撥在R&TImes;1KΩ擋,用萬用表測量時,若某一極與其它兩極阻值為無窮大,調換表筆後該極與其它兩極的阻值仍為無窮大,則判斷此極為柵極(G )其餘兩極再用萬用表測量,若測得阻值為無窮大,調換表筆後測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中,則判斷紅表筆接的為集電極(C);黑表筆接的為發射極(E)。
2、判斷好壞
將萬用表撥在R&TImes;10KΩ擋,用黑表筆接IGBT 的集電極(C),紅表筆接IGBT 的發射極(E),此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下柵極(G)和集電極(C),這時IGBT 被觸發導通,萬用表的指針擺向阻值較小的方向,並能站住指示在某一位置。然後再用手指同時觸及一下柵極(G)和發射極(E),這時IGBT 被阻斷,萬用表的指針回零。此時即可判斷IGBT 是好的。
3、檢測注意事項
任何指針式萬用表皆可用於檢測IGBT。注意判斷IGBT 好壞時,要將萬用 表撥在R&TImes;10KΩ擋,因R&TImes;1KΩ擋以下各檔萬用表內部電池電壓太低,檢測好壞時不能使IGBT 導通,而無法判斷IGBT 的好壞。此方法同樣也可以用於檢測功率場效應晶體管(P-MOSFET)的好壞。
變頻器IGBT模塊的靜態測量
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製動。自帶模塊
 
1、整流橋的靜態測量
三相橋式整流電氣原理圖見圖,測量方法同普通二極管,詳見第二章第二節相關內容。整流單元測量參考數據見表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測量
逆變單元電氣原理圖見圖1.1.2,測量方法同普通二極管。一般情況下,可通過測量IGBT的續流二極管判斷其損壞情況,數據參考表1.1.3。
  3、製動單元的靜態測量
圖中BRK為製動觸發端。根據使用環境,用戶可在端子P和PB之間接製動電阻,電阻規格的選取參考KVFC+係列變頻器用戶手冊,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,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。實際測量的數值在與表中的範圍或差距別不大即算正常。見圖1.1.4。
圖1.1.4IGBT測量過程及結果


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