IGBT模块的故障与驱动电路电压的关系.docx

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IGBT模块的故障与驱动电路电压的关系

工人技师专业论文

工种：

电工

IGBT模块故障与驱动电路（电压）的关系

姓名：

黄金平

等级：

高级技师

培训单位：

西安技师学院

鉴定单位：

目录

内容摘要1

关键词1

1、IGBT模块及驱动电路的特性1

2、IGBT模块工作特点及保护2

3、IGBT模块的故障检修及分析3四、故障的关系总结、结束语6

五、参考文献7

变频器IGBT模块故障与驱动电路（电压）的关系

摘要:

国内厂矿企业对变频器的应用已基本上普及，凡是用到电动机的地方，几乎就会见到变频器的踪影。

变频器是强电与弱电的有机结合；是硬件与软件的有机结合。

它强大的功能、完善的检测和保护电路、控制上的智能化和灵活多变；它的电气元器件的非通用性和特殊要求，使的检修思路和方法也有其独特性。

变频器和PLC等工控设备的应用和普及，对其维修甚至形成了一个专门的行业，成为电气技术的一个分支。

也使得电工的概念发生了深刻变化。

主要通过对通用变频器逆变模块及驱动电路的分析，了解IGBT一些故障的常见形式及特点,满足解决维修实际问题的需要。

关键词：

变频器IGBT故障驱动电路

一·IGBT逆变模块及驱动电路的特性

通常认为IGBT器件是电压型控制器件，只需提供一定电平幅度激励电压,而不需要吸取激励电流。

因为IGBT栅—射极间存在一个结电容，在对其进行开通和截止过程，实质上是对IGBT栅—射极间结电容进行充电、放电的过程。

这个充电放电的过程和形成了一定的峰值电流。

另一方面，变频器输出电路中的IGBT工作于数KHz的脉冲之下，其栅偏压也为数KHz的脉冲电压。

电容有通交隔直的特性，相对于数十KHz的脉冲电压，电容的容抗较小，因而形成较大的充放电流。

因此，通过上述分析，可以得出：

用在变频器输出电路的IGBT应是电流或功率驱动器件，而不是纯电压控制器件。

驱动电路（注1）的输出级，也应是一个功率放大电路。

因为IGBT的驱动是消耗一定功率，要输出一定电流的。

故功率较大的IGBT模块需由功率放大电路来驱动。

所以说：

（1）为了使IGBT迅速开通，而给出正栅偏压的时间很短，就要提供尽可能大的驱动电流（充电电流），保证IGBT快速可靠地开通，导通时要有一定的饱和深度，以减小导通损耗。

但是，并非Uce越高越好，一般选+10~15V。

对于截止的控制也是一样，须驱动电路对栅—射结电容上的电荷进行快速释放。

为了使IGBT截止可靠，就要提供足够幅度截止负压来满足IGBT关断的要求,也应对截止状态的IGBT加一反向栅压（一般为-5~-15V），使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。

（2）驱动电路的基本要求较高，应具有以下基本性能：

1·动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。

2·驱动器的内阻也不能过小，以免回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。

3·有足够的输入、输出电隔离能力。

驱动电路作为逆变电路关系密切的一部分,对变频器的三相输出有着巨大的影响。

驱动电路的性能、质量，是保证IGBT模块正常工作的重要条件。

二·IGBT逆变模块的工作特点及保护

IGBT模块工作在高电压、高频率、大电流状态下。

IGBT模块，逆变频率达18KHZ，动态响应速度快、稳定性能好。

兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在Uce下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和区，又增加了一段延缓时间，使Uce波形变为两段。

在关断过程中，因PNP晶体管中存储的电荷不能迅速消除，电流Ic也分为两段。

在IGBT导通的大部分电流范围内，Ic与Uge呈线性关系，Uge越大Ic越大。

变频器输出电路中的IGBT逆变模块工作于数KHz频率的脉冲之下，其栅偏压也为数KHz的脉冲电压。

而IGBT的工作条件又是严酷的，需要可靠开通和快速截止。

随着电力电子技术的不断发展，IGBT逆变桥在能量转换电路中的应用日益广泛。

对其保护十分重要。

决定IGBT工作的可靠性的各种因素中，过流保护电路起着关键性的作用。

由于IGBT承受过流或短路的能力有限，过流保护电路，不仅关系到IGBT模块本身的工作性能和运行安全，而且影响到整个系统的性能和安全。

一般采用检测IGBT正向导通态管压降Uce，来反映导通电流的大小。

此方法不仅简单而且可以防止IGBT工作时退饱和。

IGBT的正向饱和压降约为2.5—3V，一般当Vce大于7V时，就可认为是过流。

如果属于瞬时过流，保护电路不做处理，但过流时间稍长或过流幅度较大，则实施保护停机。

三·IGBT逆变模块的故障检修及分析

（一）、在我们平时的日常生产使用中,IGBT模块损坏是一种常见的故障现象,损坏的原因可能是多种多样的。

下面就讲几个在维修变频器时和驱动电路有关的实例：

（1），安川616G5，3.7KW的变频器，故障现象为三相输出正常，但在低速时马达抖动，无法进行正常的生产。

分析为变频器驱动电路损坏。

确定故障现象后将变频器打开，将IGBT逆变模块从印板上卸下，使用电子视波器观察六路驱动电路打开时的波形是否一致，找出不一致的那一路驱动，更换该驱动电路上的IC，一般为PC923或者PC929，若变频器使用年数超过3年，推荐将驱动电路的电解电容全部更换，然后再用视波器观察，六路波形一致后装上IGBT逆变模块，进行负载实验，抖动现象消除。

（2），日立VWS5.5HF3EH，变频器启动后，发出“吱吱”的响声，声音随频率的增加逐渐变得尖锐刺耳，声音持续约5秒后，变频器发出“OC”故障报警，空载也是如此。

因为空载下报过流，不是真正的过流故障，因此怀疑是IGBT模块故障，检查后，没有发现问题。

又怀疑是主电路部分的问题，大电容漏电产生大的脉动，造成过流。

检查电容的容量和从放电性能也没有发现问题。

最后怀疑是驱动电路部分的问题。

当不接IGBT模块时不过流保护，一旦接IGBT模块就保护。

在驱动信号全部正常的情况下，故障一是驱动模块性能衰退，不能驱动IGBT；二是电容失效造成驱动电压不稳定，驱动信号不正常，使IGBT开关时间配合不好，造成主回路过流。

由于电容是易损件，首先检查电容，把所有的电容都拆下查过了，电容的漏电阻基本上没有差别，充放电也很正常。

用万能电桥测量时，发现一个电容的容量比其它电容的容量小，但不明显，就没有更换它。

于是就换了三相驱动模块，开机故障依旧。

驱动模块的故障也排除了。

由于三相输出同时出故障的可能性较小，采用正常回路与故障回路的相同器件对调的方法找故障件。

最后找出了故障原因，问题还是出在那个电容容量比较小的电容上。

由于电容容量不足，才造成驱动信号失常，使机器工作过流。

更换电容以后，变频器工作恢复正常。

（3），台达VFD075-M变频器，故障现象是变频器输出端打火，拆开检查后发现IGBT逆变模块击穿，驱动电路印板严重损坏，正确的解决办法是先将损坏IGBT逆变模块拆下，拆的时候主要要尽量保护好印板不受人为二次损坏，将驱动电路上损坏的电子原器件逐一更换以及印板上开路的线路用导线连起来（这里要比较注意要将烧焦的部分刮干净，以放再次打火），六路驱动电路阻值相同，电压相同的情况下使用视波器测量波形，但变频器一开就报OCC故障（台达变频器无IGBT逆变模块开机会报警）使用灯泡将模块的P1和印板连起来，其他的用导线连，再次启动还跳OCC，确定为驱动电路还有问题，逐一更换光耦，后发现该驱动电路的光耦带检测功能，其中一路光耦检测功能损坏，更换新的后，启动正常。

（4），富士G9变频器，故障表现在为上电无显示。

分析可能是变频器开关电源损坏，打开变频器检查开关电源线路，但是经检查开关电源器件线路都无损坏，在DC正负处上直流电也无显示，这个时候要估计到可能是驱动问题，将驱动电路所有电容拆下，发现有个别电容漏液，更换新的电解电容，再次上电后正常工作。

（5）·伟肯VACON132CX4（报废的经过及原因），使用3年后，夏天正常，冬天有时不能启动，报存储器错误（EPPROM,ERROM）,这时机器已加电，屏幕亮，风机转。

断电重启，故障又消失。

考虑到此变频器的工作环境较差，附近有废蒸汽排出，加上是冬天，室内温度在20度以下，机器内部印刷线路板上有积灰，就有可能结露，就会导致IC引脚漏电。

特别是存储器、CPU这些贴片IC，引脚密集，结露会造成引脚电平异常，报故障也就不奇怪了。

等一等断电重启，故障又消失，是因为机器内部风机工作，将结露吹掉，热量又使水汽减少，断电又起故障复位作用。

第4年，此变频器开始频繁报散热器过热故障，用吹尘枪吹出不少灰尘，凉一凉开机就好了。

第5年夏天，不仅报过热故障，而且报过流故障。

全面除尘后，过热故障少了些，但过流没有改观多少，机器开开停停，最后报（INRERTERFAULT），逆变器故障，再也开不起来。

拆机检查，驱动板烧黑，6只IGBT逆变模块两只炸裂，未炸裂的控制极端子处积满黑色粘糊糊的脏污。

用万用表100K档测C、E两极间有30K左右不稳定漏电电阻，4块同样。

利用无水酒精将污垢清理干净，再利用电吹风吹干，再测量控制栅极和C极、E极,其间电阻无穷大。

测量其它其他电极之间的电阻正常。

内阻二极管阻值正常,实测栅射极间电容2000PP，一致性很好，这四支模块都是好的。

变频器因损坏的较严重无法修理而报废。

（二）、伟肯变频器的输出电路分析如下：

CPU来的PWM脉冲经过611光耦隔离，送至驱动ICTL431，驱动对管PZT651和PZT751.驱动电路15V供电,6路完全独立，每路驱动一只IGBT管。

实际测量驱动对管、驱动IC完好。

IGBT模块工作在高电压、高频率、大电流状态下。

要保证其开关正常，导通时要有一定的饱和深度；截止时也要一定的深度。

上下两管交替工作。

在逆变桥路中，绝不允许上下两管同时导通，那相当530V电源正极P和负极N之间直接短路。

正常时G、E极之间无漏电电阻R漏存在。

若上管导通，下管C2处立即跳变为530V。

由于模块内部米勒电容（注2）存在，530V电压经过CCG和CEC对控制极相当于加了一个导通电压。

为了防止导通，栅极必须加负栅压来中和吸收此冲击，而且要有一定安全余量。

也就是负栅压要高过此脉冲幅度很多。

一般负栅压取-5~-15V,确保上管导通时下管截止，反之下管导通时，上管亦要截止。

伟肯变频器取-15V栅压，是个典型值。

当有污物引起漏电电阻R漏存在时，情况发生变化。

电阻产生分流，使实际加到模块栅极的正负栅压幅度均变化。

在漏电不严重时，特别是负栅压还高于米勒电容带来的冲击脉冲幅度，还能保证一管工作，一管截止。

由于正栅压降低，模块饱和深度不够，集电极、发射极之间导通压降增大，机器检测到这一增大的饱和压降，认为是过流，（正常饱和压降一般为3V）就报出过流故障。

随着风机将机器内湿气吹出，再加上模块发热，R漏变轻，机器可能又正常工作了。

一旦漏电电阻加大，使实际加到IGBT的负栅压低于冲击电压的幅值，上管导通下管也导通，强大的短路电流瞬间就使IGBT模块炸裂。

（三）、在实际维修中更换IGBT逆变模块时，一定要确定驱动电路的正常工作。

切不可换上好的快熔或者IGBT逆变模块，就试机。

这样很容易造成刚换上的好的器件再次损坏。

否则更换后很容易引起大功率模块的再次损坏。

应该着重检查下驱动电路上是否有打火的印记，可以先将IGBT逆变模块的驱动脚连线拔掉，使用万用表电阻档测量下六路驱动是否阻值都相同（但是及个别的变频器驱动电路不是六路阻值都相同的：

比如三菱还有富士的），如果六路阻值都基本相同还不能完全证明驱动电路是完好的，接着需要使用电子视波器测量六路驱动上电压是否相同，当给定一个启动信号时六路的波形是否一致；如果手里没有电子示波器的话，也可以尝试使用电子万用表，来测量驱动电路六路的直流电压，一般来说，没启动时的每路驱动电路上的直流电压约为10伏左右，启动后的直流电压约为2-3伏，如果测量下来一切正常的话基本可以判断此变频器的驱动电路是好的。

接着就将IGBT逆变模块连到驱动电路上，但是记住在没有100%把握的情况最稳妥的方法还是将IGBT逆变模块的P从直流母线上断开，中间接一组串联的灯泡或者一个功率大一点的电阻，这样能在电路出现大电流的情况下，保护IGBT逆变模块不被损坏。

对于IGBT模块，我们介绍最简单的测量方法（专业不是这样测量）用指针万用表电阻10k档表棒去触发GwEw（黑笔碰Gw，红笔碰Ew）则P到W可导通。

当GwEw短路，P到W则关闭，其它各管引脚同理。

四·故障的关系总结·结束语

IGBT模块的工作特性和安全性，随着驱动电路的变化而变化，因而驱动电路的性能严重影响模块的使用。

IGBT对驱动电路有许多特殊要求，概括起来有：

（1），IBGT逆变模块的故障与驱动电路的关系较大，IGBT正常时，需驱动电路提供幅度、波形正常的信号，才能正常工作；IGBT异常或负载电路异常时，需提供保护关断信号。

驱动不良有可能造成逆变模块的损坏；模块损坏时的电气冲击也同时危害到驱动电路。

IGBT模块是变频器最重要的部分，CPU、驱动电路、保护电路等，都是围绕它工作。

变频器的工作状态，是通过其输出来实现的。

驱动电压要取合适的值+10V~15V;-2~V-15V而且有栅压限幅电路。

同时必须有足够的输入、输出电隔离能力。

一般用光电耦合器或变压器耦合。

（2）.当一台变频器大电容后的快熔开路，或者驱动电路的元件有问题如电容漏液、击穿、光耦老化，也会导致IGBT模块烧坏或变频输出电压不平衡。

尤其是负压中断，使IGBT炸裂的现象比比皆是，动作稍慢变频器输可能造成两管共通，对直流电源形成短路。

在检修过程中必须引起足够的重视。

（3），受到周围环境的影响，参数设置的不当，以及不正当的操作，都有可能对变频器造成损坏。

负载的故障，以及使用中的一些问题都能导致模块的损坏。

不管是检测电路的损坏，驱动电路的损坏，以及大功率晶体管的损坏都有可能引起OC报警。

（4），驱动信号为数十KHz高频脉冲信号，引线电感不容忽视。

而且从驱动板到IGBT它们的距离往往较远。

IGBT驱动信号的引线越短越好，最好用屏蔽线。

IGBT与驱动电路的发展是和二为一，成为智能电力模块器件—IPM（intelliqentpowermodule）,是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路PIC的一种。

目前IPM一般采用IGBT作为大功率开关器件。

在变频器不断发展的今天变频器的驱动电路技术也是日新月异，这里所能涉及到的也只是凤毛麟角，希望能对广大技术人员和变频器爱好者有所帮助。

参考文献：

1：

《变频调速控制系统的设计与维护》曾毅、王效良等编著山东科学技术出版社2004（第二版）

2：

《变频器实用电路图集与原理图说》咸庆信，机械工业出版社，2009

3：

《变频器应用手册》吴忠智、吴加林，北京机械工业出版社，2001

注1）驱动电路

驱动电路是将主控电路中CPU产生的六个PWM信号，经光电隔离和放大后，作为逆变电路的换流器件（逆变模块）提供驱动信号。

对驱动电路的各种要求，因换流器件的不同而异。

同时，一些开发商开发了许多适宜各种换流器件的专用驱动模块。

有些品牌、型号的变频器直接采用专用驱动模块，大部分的变频器采用驱动电路。

从修理的角度考虑，这里介绍较典型的驱动电路。

小功率变频器一般是由驱动IC（如PC923、PC929）直接驱动IGBT。

例如东元变频器的驱动电路，每相上下臂驱动IC,也是PC923、PC929的经典结合。

图1、图2是较常见的驱动电路。

PC923的引脚功能：

1、4脚为空脚；2、3为信号输入；6脚为信号输出；8、7脚为正负电源；8、5脚短接，以使内部输出和控制回路共用正电源（23—24V）。

PC929的引脚功能：

1、2脚内部短接；2、3脚内接光耦合器发光二极管的阳极和阴极；4、5、6、7为空脚；8脚为故障信号输出；9脚为故障信号输入；10、14脚为负电源；12、13脚为正电源；11脚为驱动脉冲输出。

注2）米勒效应（Millereffect）

是在电子学中，反相放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，其中K是该级放大电路电压放大倍数。

虽然一般密勒效应指的是电容的放大，但是任何输入与其它高放大节之间的阻抗也能够通过密勒效应改变放大器的输入阻抗。

　　米勒效应是以约翰·米尔顿·米勒命名的。

1919年或1920年米勒在研究真空管三极管时发现了这个效应，但是这个效应也适用于现代的半导体三极管。