欒頌軒

（滄州黃驊港礦石港務(wù)有限公司，河北滄州 061113）

0 引言

變頻器中的逆變器采用的自關(guān)斷元件分為大功率晶體管GTR、可關(guān)斷晶閘管GTO 和大功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 等，其中應(yīng)用最廣泛的為GTR 元件。但是，在當(dāng)今工業(yè)時(shí)代的發(fā)展要求逆變器輸出諧波分量更小，并且要求的開關(guān)頻率更高，傳統(tǒng)的GTR 便不能滿足這個(gè)要求，于是就開發(fā)出一種新型元件——IGBT。

IGBT 全稱絕緣柵雙極晶體管，是由MOS 管和BJT 管組成的具有自關(guān)斷功能的復(fù)合全控型—電壓驅(qū)動(dòng)式—功率半導(dǎo)體器件。IGBT 相對(duì)于MOS 管和BJT 管的優(yōu)勢(shì)有：驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率低，飽和壓降低，工作頻率高與開關(guān)速度快等。這些優(yōu)勢(shì)使其在在大功率電力電子器件應(yīng)用中成為主流。近年來(lái)，在工業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，越來(lái)越多的要求系統(tǒng)擁有可自動(dòng)維護(hù)能力，因此對(duì)集成冗余、容錯(cuò)能力的控制系統(tǒng)的研究得到更多關(guān)注。為了確保在生產(chǎn)過(guò)程中規(guī)避因逆變器故障造成的元器件損毀造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）應(yīng)運(yùn)而生。這種新型模塊將功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起并設(shè)有過(guò)電壓、過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)電路，與普通IGBT 相比在可靠性上有進(jìn)一步的提高，他可以將檢測(cè)到的故障信號(hào)送到處理器進(jìn)行中斷處理，即使發(fā)生過(guò)流或短路等故障也不至于損壞IPM 本身。

結(jié)合安川VARISPEED G7 系列變頻器與YS1000 系列變頻器在實(shí)踐中出現(xiàn)的故障分析IPM 較IGBT 的優(yōu)越性。

1 IGBT 與IPM 的結(jié)構(gòu)比較

1.1 典型的IGBT 電路

IGBT 的開關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓給PNP 提供基極電流，導(dǎo)通IGBT。若要關(guān)斷IGBT 則加反向門極電壓切斷基極電流。其等效電路如圖1 所示。IGBT 的缺點(diǎn)是短路容量小，可靠性較差，這就要求有快速的過(guò)流檢測(cè)功能以便在幾微秒的時(shí)間內(nèi)切斷IGBT。

1.2 智能功率模塊IPM 結(jié)構(gòu)

圖1 一般IGBT 等效電路

IPM 模塊有6 單元或7 單元結(jié)構(gòu)，這種中大功率的IPM采用的是陶瓷基板做絕緣構(gòu)造[1]。最初代的IPM 內(nèi)部由封裝好的獨(dú)立元器件在同一基板上密集封裝，雖具備IPM 的基本保護(hù)功能，但體積大的缺點(diǎn)也顯而易見；第二代IPM 產(chǎn)品是將控制部分根據(jù)功能分別集成為幾個(gè)芯片再與IGBT 組裝在一起，其可靠性有了很大提高；最新一代的IPM 產(chǎn)品其控制部分已集成為一個(gè)芯片，并且將控制芯片與主控元件貼裝在不同基板上，以避免IGBT 本身因發(fā)熱影響控制部分的可靠性[2]。IPM 保護(hù)功能原理圖如圖2 所示，其內(nèi)部裝有欠壓、過(guò)流、短路、過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，當(dāng)發(fā)生過(guò)載等故障或使用不當(dāng)時(shí)，故障信號(hào)將送到DSP 或CPU 中做中斷處理，保護(hù)IPM模塊。

圖2 IPM 保護(hù)功能原理

1.3 IPM 功率模塊的優(yōu)勢(shì)

IPM 即使用IGBT 開關(guān)元件，并內(nèi)部集成有傳感器及驅(qū)動(dòng)電路，因此他與傳統(tǒng)IGBT 相比更具可靠性。

IPM 的開關(guān)速度與IGBT 基本相同，IPM 內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電路緊靠IGBT，因此驅(qū)動(dòng)起來(lái)延時(shí)較小，相應(yīng)的損耗?。坏獻(xiàn)PM 可以快速的進(jìn)行過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)。IPM 實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT 電流，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載或直接短路時(shí)，IGBT 將被軟關(guān)斷，同時(shí)送出一個(gè)故障信號(hào)，在過(guò)熱保護(hù)中，IPM 在靠近IGBT 的絕緣基板上安裝一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)基板過(guò)熱時(shí)，IPM 內(nèi)部控制電路將截止柵極驅(qū)動(dòng)，不響應(yīng)輸入控制信號(hào)；同時(shí)，在串聯(lián)的橋臂上，有驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖，能夠有效防止上下臂同時(shí)導(dǎo)通；當(dāng)?shù)陀隍?qū)動(dòng)控制電源（一般為15 V）就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)能力不夠，增加導(dǎo)通損壞。IPM自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^(guò)10 μs 時(shí)，將截止驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

目前，第三代IPM 采用高速型IGBT，輸出時(shí)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)96%以上，與早期IGBT 相比，其開關(guān)損耗減少了30%[3]。開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制簡(jiǎn)單，隨著技術(shù)的進(jìn)步，IPM 的保護(hù)功能仍在日臻完善；在經(jīng)濟(jì)性上，IPM 的售價(jià)已趨近于傳統(tǒng)IGBT 模塊，但由于故障率相比傳統(tǒng)IGBT 更低，節(jié)省了維修時(shí)間與器件損耗，其性價(jià)比較之IGBT 大大提高。

2 安川變頻器在同一故障下IPM 與IGBT 的表現(xiàn)與分析

某港一期、二期的門座式起重機(jī)分別采用安川VARISPPED G7（以下簡(jiǎn)稱G7）系列變頻器與安川VARISPPED YS1000（以下簡(jiǎn)稱YS1000）系列變頻器，當(dāng)同樣發(fā)生變頻器和電極間引線對(duì)地或相間短路的故障時(shí)，G7 系列變頻器內(nèi)的IGBT 模塊與YS1000 系列變頻器內(nèi)的IPM 模塊表現(xiàn)出不同的故障形式，其中G7 系列報(bào)PUF 故障，YS1000 系列報(bào)SC 故障，具體分析如下。

2.1 G7 變頻器PUF 故障

“PUF，保險(xiǎn)絲熔斷故障”。G7 系列變頻器出現(xiàn)PUF 報(bào)警后，G7 變頻器內(nèi)部的快熔會(huì)迅速熔斷，故障一相的IGBT 將會(huì)損壞，變頻器驅(qū)動(dòng)板也會(huì)損壞。這是因?yàn)楫?dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間的尖峰電流，檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間要遠(yuǎn)大于IGBT的響應(yīng)時(shí)間，因此IGBT 將首先被擊穿，接下來(lái)直流母線和輸出相之間的兩個(gè)快熔動(dòng)作以避免故障擴(kuò)大[5]。但熔斷器是參數(shù)一致性不理想的熱熔元件，若熔斷器動(dòng)作稍有延遲，短路電流將急劇上升導(dǎo)致IGBT 炸裂，IGBT 的輸出極（C）與控制極（G）短路損壞驅(qū)動(dòng)板的光耦元件PC923 或PC929，這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)板是通過(guò)光耦隔離電路將強(qiáng)電與門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的弱電隔離，而能損壞到IGBT 的電壓或電流一定可以擊穿隔離電路上的光耦元件。

當(dāng)變頻器PUF 報(bào)警后，不可盲目更換熔斷器后通電試車，要仔細(xì)測(cè)量外圍線路，找到損壞的元器件以避免更換后故障擴(kuò)大造成更多的元件損壞，下面以G7 系列逆變器說(shuō)明檢修PUF故障的基本步驟：

（1）發(fā)生故障后先斷開動(dòng)力電源，待變頻器電源板上紅燈熄滅后拆下變頻器U、V、W 的輸出線，將電機(jī)線也拆下，用兆歐表分段量線路、電機(jī)及連接線路端子的絕緣，在潮濕的夏天一般阻值應(yīng)至少在4 MΩ 以上才正常，并檢查電纜是否有破皮等現(xiàn)象。PUF 故障絕大部分情況都由外部線路對(duì)地或短路造成，因此一定要仔細(xì)查出外圍故障才可更換備件通電試車。

（2）用指針式萬(wàn)用表10 KΩ 檔測(cè)量變頻器U、V、W 對(duì)直流母線P、N 的阻值是否平衡，若任意一相的阻值趨近0 則該相的IGBT 已被擊穿，需要更換整相的IGBT。

（3）測(cè)量其他相IGBT 是否有損壞，測(cè)量的方法為選擇指針萬(wàn)用表的10 KΩ 檔，這是因?yàn)槿f(wàn)用表1 KΩ 以下各檔電池電壓低不足以導(dǎo)通IGBT。將紅黑表筆分別對(duì)IGBT 的集電極（C）與發(fā)射極（E），此時(shí)阻值應(yīng)該為無(wú)窮大。用手同時(shí)觸碰IGBT 的柵極（G）和集電極（C）此時(shí)IGBT 被觸發(fā)導(dǎo)通，萬(wàn)用表阻值迅速變小并能站住保持在某一位置。再用手觸IGBT 的柵極（G）和發(fā)射極（E），此時(shí)IGBT 被阻斷，萬(wàn)用表阻值變大。需要注意的是測(cè)量IGBT 后一定要關(guān)斷IGBT 即短接發(fā)射極和柵極，否則送電后可能會(huì)造成IGBT 炸裂。

（4）測(cè)量浪涌吸收電阻是否被擊穿，其正常阻值應(yīng)為5 Ω。測(cè)量RC 阻容吸收模塊是否被擊穿，其R1 與C1、E2 分別為單相導(dǎo)通的特性，R1 與AK 有電容特性。

待故障原因徹底找到及完成上述檢查步驟后才可更換驅(qū)動(dòng)板、快熔及IGBT 并送電試車。

2.2 YS1000 變頻器SC 故障

SC，檢出輸出短路、接地短路或IGBT 故障，是YS1000 系列變頻器常見的故障，造成SC 故障的原因與造成G7 系列PUF 故障的原因基本一致，但YS1000 系列變頻器內(nèi)部并沒(méi)有配置快速熔斷器，因?yàn)槠鋬?nèi)部的IGBT 模塊已經(jīng)由新型的IPM功率模塊替代。在使用IPM 功率模塊后，如果負(fù)載發(fā)生短路則IGBT 的上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，通過(guò)檢測(cè)IGBT 集電極電流進(jìn)行過(guò)電流及短路保護(hù)，當(dāng)電流超過(guò)容許值的幾微秒時(shí)間后，IPM將軟關(guān)斷的同時(shí)輸出一個(gè)固定寬度的故障信號(hào)，對(duì)于小于此寬度的短路電流不進(jìn)行響應(yīng)，因此即使IGBT 承受了大電流，IPM 模塊也不一定損壞，相比使用IGBT 模塊可靠性自然得到提高。

當(dāng)YS1000 變頻器報(bào)SC 故障時(shí)，迅速斷開動(dòng)力電源，待電源板上紅色指示燈熄滅后拆下變頻器輸出側(cè)U、V、W 線纜。此時(shí)仍然用用指針式萬(wàn)用表10 KΩ 檔測(cè)量變頻器U、V、W 對(duì)直流母線P、N 的阻值是否平衡，若三相平衡，此時(shí)可以在不掛U、V、W 三根電纜的情況下通電看變頻器是否仍然報(bào)SC 故障，若故障消失，將變頻器手動(dòng)給定10%的頻率運(yùn)行，按RUN 鍵運(yùn)行再次觀察是否有SC 故障報(bào)出，若無(wú)故障報(bào)出，則IPM 功率模塊并未損壞，只需檢查外圍線路或電機(jī)是否有對(duì)地、短路、線皮破損等現(xiàn)象，待排除外圍線路的故障后，接上U、V、W 三根輸出線纜試車；若測(cè)量U、V、W 三相與P、N 阻值不平衡，或拆除U、V、W 三相線通電的過(guò)程中報(bào)SC 故障，此時(shí)可以認(rèn)為IPM 功率模塊損壞，需要拆機(jī)檢查IPM 功率模塊。因?yàn)镮PM 模塊本身內(nèi)置了驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，因此檢測(cè)安川IPM 功率模塊的好壞在判斷上共有3 種可能：①驅(qū)動(dòng)板壞；②IPM 模塊本身壞；③IPM 模塊與驅(qū)動(dòng)板同時(shí)壞。判斷驅(qū)動(dòng)板的良好比較困難，在實(shí)際生產(chǎn)工作中若時(shí)間不允許測(cè)量無(wú)把握，建議先更換驅(qū)動(dòng)板。檢測(cè)IPM 功率模塊的方法是直接用萬(wàn)用表檢測(cè)C、E 之間的二極管是否單相導(dǎo)通。

3 結(jié)束語(yǔ)

使用IPM 智能功率模塊的整流、逆變?cè)O(shè)備與普通的IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步提高。由于IPM 的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使得散熱器減小繼而系統(tǒng)尺寸也減小；所有的IPM 均采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)化與邏輯電平控制電路相連的柵極控制接口，在產(chǎn)品系列擴(kuò)充時(shí)無(wú)需另行設(shè)計(jì)電路，這些優(yōu)點(diǎn)都是IPM 在維修過(guò)程中帶來(lái)的方便。但是在實(shí)際的維修工作中必須避免重復(fù)故障而導(dǎo)致的結(jié)溫升高損壞IPM。因此當(dāng)設(shè)備發(fā)生SC 故障后，不要直接對(duì)整機(jī)連續(xù)復(fù)位試車，一定要仔細(xì)檢查外圍電路及IPM 功率模塊的損壞情況，排除故障后再進(jìn)行試車。